岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究

岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究 岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研 究 第25卷第1期 2006年1月 岩石力学与工程 ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering V_01.25No.1 Jan.,2006 岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究 杜守继1,朱建栋,职洪涛 (1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030:2上海市政工程设计研究院,上海200092) 摘要:基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试验,分析了岩石节理剪切变形特性及与变形历 史的依存关系.结果表明,岩石节理峰值和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势,而剪胀特性已变得 不明显.'两类节理面在经历不同垂直应力下的剪切变形历史后,剪切应力均不再出现尖峰;而不同剪切变形历史 主要影响节理的剪切强度,对剪胀特性影响较小. 关键词:岩石力学;岩石节理;剪切试验;不同剪切变形历史 中图分类号:,Tu45文献标识码:A文章编号:1000—6915(2006)01—0056—05 SHEARTESTSoNRoCKJoINTSUNDERDIFFERENTSHEAR DEFoRMATIoNHISToRIES DUShou-ji,ZHUJian—dong,ZHIHong—tao (1.SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEnginaering,ShanghaiJiaotongUniversit y,Shanghai200030,China~ 2.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute,Shanghai200092,China) Abstract:Basedonthesheartestsofartificialrockjointsunderdifferentsheardeformationhist ories,theshear propertiesofrockjointsareanalyzed.Thetestresultsshowthatthepeakandresidualshearstre ssesincrease linearlywiththeincreaseofdifferentnormalstresshistories.Differentsheardisplacementhis toriesmainlyaffect theshearstrengthofjoints,andhavealittlerelationshipwiththedilatancypropertyofrock. Keywords:rockmechanics:rockjoint~sheartests:differentsheardeformationhistories 1引言 近年来,深部地下空间的开发利用问题(诸如放 射性核废料储存场所等)正受到广泛的关注.因为地 球中大量的岩体内存在着破裂面和不连续面,在进 行岩体地下洞室的稳定性分析以及放射性废弃物地 层处理的扩散机制研究时,仅仅以连续岩体为研究 对象是不足的,岩体内包含的不连续面(断层,节理 等)的状态,特别是其力学和水理学特性对岩体地下 工程的设计,施工和管理起着决定性的作用L1~3J. 岩石节理,裂隙等不连续结构面是岩体的重要组成 部分,是岩体作为工程介质区别于其他工程介质的 本质根源.不连续面的存在破坏了岩体的连续性和 完整性,使岩体具有不均一性和各向异性,并大大 降低了工程岩体的强度和稳定性.因而对岩石节理 面的剪切强度和变形行为的研究就具有重要的工程 和实践意义. 国内外许多学者针对岩石节理面的剪切强度和 变形行为进行了大量的剪切试验研究【4,,但对经 历不同变形历史后的岩石节理剪切特性的研究却少 有涉及.因此,本文针对花岗岩和砂岩两种岩石, 人工加工成不规则节理,然后在剪切试验机上进行 不同变形历史下的剪切试验,以进一步分析岩石节 理剪切变形特性,强度与变形历史的依存关系,为 岩体工程的设计和施工提供依据. 收稿日期:2004—10—20;修回日期;2005—01—31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50079012);教育部留学回国人员科研启动 基金项目 作者简介:杜守继(1963一),男,博士,1984年毕业于石家庄铁道学院隧道工程专业, 现任副教授,主要从事岩石力学方面的教学与研究工作.E—mail dusj@sjtu.edu.cn. 堂第1期杜守继等.岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究.57. 2剪切试验描述 2.1剪切试验装置 本试验使用日本九州大学江崎研究室开发研制 的剪切试验系统(见图1).该系统包括直接剪切装 置,测量与控制装置以及岩石节理面作成装置【】. 此试验装置能在岩石试样上人工制成不规则节理 面,并在岩石节理面上施加垂直和剪切荷载,使节 理面发生垂直和剪切变形. 垂直加载单元 垂直位移计 ———————————, , 剪切位移计 水平剪切加—_, 荷载传感器 上剪切盒 ,————一 试件 /一 出水孔 l厂 荷载传感器 下剪切盒 \注水孔 图l岩石节理剪切试验系统 Fig.1Sheartestapparatusforrockjoint (1)直接剪切试验装置 如图1所示,剪切盒设计成上,下两半部分, 其中下半盒可移动,上半盒安装在固定架上,连接 下半盒和固定架的两端长杆中设置2个施加剪切荷 载的载荷单元(拉伸一压缩两用型,最大荷载均为 200kN).杆两端连接部分的构造容许下半盒上下移 但水平方向的运动受到约束.剪切盒尺 动和转动, 寸为120mmx100mmX80mm(长×宽×高),最大剪 切荷载100kN,垂直荷载2000kN.在水平和垂直 方向均采用油压伺服控制方式施加荷载,可选择变 位伺服控制和载荷伺服控制两种方式. . (2)测量与控制装置 垂直位移由剪切盒上半部分四端设置的4个变 位计(东京测器制CDP一10,精度0.001~tm/mm)来 测定,剪切位移则由沿水平方向设定的1个变位计 来测定;水平,垂直方向施加的荷载及变位计测得 的数据经由计算机数据处理系统自动记录和保存. (3)岩石节理面作成装置及方法 应用压裂法制作人工节理面,然后将试样放入 剪切盒内,水平方向设置一对油压千斤顶(最大荷载 100kN),千斤顶的前端装配钢制的锲子.首先施加 垂直荷载(200kN),在水平方向预加工的裂缝中锲 入钢制的锲子,并施加产生压裂的水平荷载f60 kN).而后,水平方向荷载保持一定,缓慢除去垂直 荷载,直到试样被压裂开.整个过程中的垂直应力 和垂直变位由X-Y记录仪进行监视和记录. 2.2岩石试样 如图2所示,本试验所用的岩石为韩国南原产 花岗岩(容重26.1kN/m,吸水率0.37%,饱和状态 单轴压缩强度162MPa)~N砂岩f容重24.0kN/m3, 吸水率0.40%,饱和状态单轴压缩强度72MPa),试 样尺寸1001,D_rnx100mmx80mm(长×宽×高).为使 岩石节理面制作方便,在试样高度的中央位置四周 预加工出深10nlnl,宽lnlm的裂缝,故实际剪切 面积为100minx80mm(长×宽). 图2花岗岩和砂岩节理试样 Fig.2Graniterockandsandstonerockjoints 2.3剪切试验方法 本文进行了不同垂直应力和剪切位移作用下花 岗岩和砂岩两类人工节理的直剪试验,剪切试验在 节2.1所述的剪切试验机j进行.首先在垂直方向 加载到设定的垂直应力,然后保持垂直应力恒定, 以剪切速度0.1mm/s进行剪切试验,达到设定的剪 切位移后,卸除垂直方向荷载,完成试验. 两类试验分别为:(1)在不同的垂直应力下进 行剪切试验,其中花岗岩节理设定的垂直应力分别 为5,10,20,30MPa,砂岩节理设定的垂直应力 分别为2,5,10,20MPa,最大剪切位移以20nlin 为定值;(2)在恒定垂直应力(10MPa)作用下, 分级逐渐增大剪切位移,花岗岩和砂岩节理分级设 定的剪切位移均为0.7,5.0,20.0nlin.其中每一类 试验均同时采用花岗岩和砂岩作为对比参照,且每 一 类试验各采用一块岩石节理试样来反复进行加载 岩石力学与工程2006笠 试验. 3剪切试验结果及分析 3.1不同垂直应力作用下的剪切特性规律 图3,4分别为花岗岩和砂岩节理在不同垂直 应力下的剪切特性曲线[10],包括剪切应力一剪切位 移曲线(见图3(a),4(a))和垂直位移一剪切位移曲线 (见图3(1)),4(t))).从剪切应力一剪切位移曲线可观 察出,最初剪切应力随剪切位移的增加很快线性增 加到峰值,接着随剪切位移的继续增加,剪切应力 逐渐降低,最终趋于一定值(残余剪切应力).花岗 岩节理峰值剪切应力和残余剪切应力随垂直应力的 增加呈线性增长趋势r见图5),而且两类节理面在 经历不同剪切变形历史后,剪切应力均不再出现尖 峰.花岗岩节理在初始垂直应力为5.0MPa时的剪 切应力峰值约为5.0MPa,而当垂直应力增大到30 MPa时,剪切应力峰值却只增大到14.0MPa;砂岩 节理在初始垂直应力为2MPa时,剪切应力峰值约 墨 鉴 剪切位移/mm (a)剪切应力一剪切位移曲线 剪切位移/mm (b)垂直位移一剪切位移曲线 图3花岗岩节理在不同垂直应力下的剪切特性曲线 Fig.3Shearpropertycurvesofgranitejointsunderdifferent normalstresses 专 钕 鉴 剪切位移us/mm (a)剪切应力一剪切位移曲线 剪切位移Us/mm (b)垂直位移一剪切位移曲线 图4砂岩节理在不同垂直应力下的剪切特性曲线 Fig.4Shearpropertycurvesofsandstonejointsunder differentnormalstress 152O253O35 垂直应力/MPa 图5花岗岩节理剪切应力与垂直应力关系 Fig.5Shearstress-normalstresscurvesforgranitejoints 为2.0MPa;而当垂直应力增大到20MPa时,剪切 应力峰值却只增大到8.5MPa左右.通常,若节理 粗糙特性保持不变,节理面抗剪能力应与其所受垂 4208642 暑R通钕 6284O 暑氆钕 第25卷第l期杜守继等.岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究?59? 直压应力成正比.显然,在经历不同的剪切变形历 史后,粗糙节理面变得越来越光滑,粗糙特性呈下 降趋势,且降幅较大. 从图3(b),4(b)可观察出,当剪切应力达到峰 值时,节理开始发生剪胀现象,随着剪切位移的进 一 步增加,垂直位移以递减的剪胀速率增加.花岗 岩节理在初始垂直应力为5MPa时发生的最大剪胀 量约为3.7rilri1,在经历不同的剪切变形历史后,在 垂直应力为30MPa时发生的最大剪胀量降低到约 0.2mnl,这也说明随剪切位移变形历史的增加,越 来越光滑的花岗岩节理的剪胀特性已不明显. 3.2不同剪切位移作用下的剪切特性规律 图6,7分别为花岗岩和砂岩节理在不同剪切位 矗 器 羞 051015 剪切位移us/mm (a)剪切应力一剪切位移曲线 剪切位移us/mm (b)垂直位移一剪切位移曲线 图6花岗岩节理在不同剪切位移下的剪切特性曲线 (垂直应力为10MPa) Fig.6Shearpropertycurvesofgranitejointsunderdifferent sheardisplacements(verticalcompressivestressis10 MPa) 矗 器 鉴 051015 剪切位移Us/mm (a)剪切应力一剪切位移曲线 剪切位移Us/mm (b)垂直位移一剪切位移曲线 图7砂岩节理在不同剪切位移下的剪切特性曲线(垂直 应力为10MPa) Fig.7ShearpropertyClLrvesofsandstonejointsunderdifferent sheardisplacements(verticalcompressivestressis10 MPa) 移下的剪切特性曲线(垂直应力为10MPa)叫,包括 剪切应力一剪切位移曲线(见图6(a),7(a))和垂直位 移一剪切位移曲线(见图6(b),7(b)). 从图6(a),7(a)可观察出,最初剪切应力随剪 切位移的增加很快线性增加到峰值,接着在10 MPa垂直应力作用下经历不同剪切位移历史后,峰 值剪切应力降低剧烈.花岗岩节理在垂直应力10 MPa时剪切应力峰值约为11MPa,经历剪切位移历 史0.7,5.0mlTl后,剪切应力峰值降低到5.5MPa; 砂岩节理在垂直应力10MPa时剪切应力峰值约为 7.4MPa,经历剪切位移历史0.7,5.0mill后,剪切 应力峰值降低到5.0MPa.这说明节理面抗剪强度 的损失主要发生在小剪切位移阶段.在经历相同垂 直应力作用下的剪切变形历史后,粗糙的节理面变 得越来越光滑,粗糙特性呈下降趋势,而且表面粗 糙度的损失也发生在峰值剪切应力附近. ?60?岩石力学与工程2006笠 从图6(b),7(b)可观察出,在经历相同垂直应 力10MPa作用的剪切变形历史后,剪胀量降低幅 度较小,这说明经历不同剪切位移历史的节理主要 影响节理的抗剪切强度,对剪胀特性影响较小. 4结论 本文通过对花岗岩和砂岩两类人工节理在不同 垂直应力和剪切位移作用下的直剪试验,得出如下 结论: (1)花岗岩和砂岩节理峰值剪切应力和残余剪 切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势,而剪胀 特性已变得不明显.两类节理面在不同垂直应力 下,剪切应力均不再出现尖峰. (2)花岗岩和砂岩节理初始剪切应力随剪切位 移的增加很快线性增加到峰值,接着在10MPa垂 直应力及不同剪切位移作用下,峰值剪切应力降低 剧烈.,而剪胀量降低幅度较小,这说明不同的剪切 位移主要影响节理的抗剪切强度,对剪胀特性影响 较小. 致谢本文试验部分得到日本九州大学环境系统科 学研究中心江崎哲郎教授和日本长崎大学工学部社 会开发工学科蒋宇静副教授的指导,在此表示感 谢! 参考文献(References): [1]沈明荣.岩体力学[M].上海:同济大学出版社,l999.(Shen Mingrong.RockMassMechanics[M].Shan曲ai:TongjiUniversity Press,1999.(inChinese)) [2]PartonFD.Multiplemodesofshearfailureinrock[A].In: Proceedingsofthe1stCongressoftheInternationalSocietyforRock Mechanics[C].Lisbon:[s.n.],1966.509—513. [3]GoodmanRE.MethodsofGeologicalEngineeringinDiscontinuous Rock[M].NewYork:WestPublishingCompany,1981. [4]BartonN,ChoubeyVTheshearstrengthofrockjointsintheoryand practice[J].RockMechanics,1977,10(1/2):1—54. [5]JohnstonIW,LamTSK,WilliamsAF.Constantnormalstiffness directsheartestingforsocketedpiledesigninweakrock[J]. Geotechnique,1987,37(1):83—89. 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