剪切速率对岩石节理强度特性的影响[权威资料]

剪切速率对岩石节理强度特性的影响[权威资料] 剪切速率对岩石节理强度特性的影响 摘 要:不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究 是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值 抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算 方法，对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的 岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计 算，探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律，提出与 速率相关的岩石节理峰值抗剪强度。结果表明:当 剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内时，岩石节理试样的总摩 擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和 各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大，总摩擦角呈现 减小趋势，对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切 速率的增大，总摩擦角呈现增大趋势，且后者总摩擦角增大 幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态 对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大，节理面的 物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变 化趋势，节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速 率的变化幅值。 关键词:岩石力学;节理;直剪试验;剪切速率;峰 值抗剪强度;总摩擦角;微凸体 TU432;TU452 文献标志码:A Abstract: The study on mechanical characteristics of rock discontinuity under different shear rates is an important premise of rock slope dynamic response analysis. Based on Barton peak shear strength theory and root mean square first-order derivative method calculating joint roughness coefficient， the laboratory direct shear test results of peak shear strength of rock joint under different shear rates with constant normal stress in previous researches were calculated， the effects of shear rate on total friction angle of rock joint were discussed， and the empirical formula of peak shear strength of rock joint related to the shear rate was proposed. The results show that when the shear rates are 0-0.8 mm?s-1， the total friction angles of rock joint samples vary in the form of negative logarithm with the variation of shear rate; the total friction angles of rock joints decrease with the increase of shear rate for rock joints with relative strong homogeneity and isotropy， and increase with the increase of shear rate for rock joints with relative strong heterogeneity and anisotropy， and the increase range of the latter is less than that of the former; the physical property and microscopic geometry of rock joints play an important effect on the variation of total friction angles with the increase of shear rate， the physical property of rock joints plays an important effect on the increase or decrease tendency of total friction angle， and the microscopic geometry of rock joints plays a significant effect on the variation range of total friction angle. Key words: rock mechanics; joint; direct shear test; shear rate; peak shear strength; total friction angle; asperity 0 引 言 岩质边坡动力反应在很大程度上受到结构面的制约， 因此，研究结构面的动力特性特别是动力剪切特性是进行岩 质边坡动力反应分析的重要前提[1]。地震荷载既是动荷载也是循环荷载[2]，对于静力条件下稳定的岩质边坡，在地震荷载的动态循环剪切作用下，结构面强度降低，导致坡体沿结构面发生错动或滑移，进而引发地震滑坡，因此，岩体结构面在动态循环剪切荷载作用下的强度劣化及变形机制是进行工程边坡地震防控中亟待解决的关键问之一。基于上述认识，Plesha等进行了一些研究工作[3-11]。刘博等研究了天然岩石节理(或人工岩石节理)在循环荷载作用下的剪切力学行为[2，12]。Crawford等对4种岩性的节理试样进行剪切速率为0,200 mm?s-1的试验，结果表明:在低法向应力下，软岩节理峰值抗剪强度随剪切速率的增加经历先增大后不变再减小的过程;中硬岩石节理的峰值抗剪强度与剪切速率无关;硬岩节理峰值抗剪强度随剪切速率变化显著[13]。Jafari等对人工锯齿形岩石节理试样进行剪切速率为0.05,0.4 mm?s-1的试验，结果表明，随着剪切速率的增加，试样的峰值抗剪强度减小;并提出了基于循环加卸载次数和剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度经验公式，但该公式缺乏明确的物理意义，不符合莫尔-库仑公式形式[11]。李海波等对水泥锯齿形节理试样进行剪切速率为0.02,0.8 mm?s-1的试验，结果表明，岩石节理的峰值抗剪强度随剪切速率的增大而减小，减小幅度随剪切速率的增大而减小，并提出基于起伏角度和剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度经验公式，但该公式仅适用于规则锯齿形人工节理面[14]。Mirzaghorbanali 等对人工锯齿形节理试样进行剪切速率为0.5,20 mm?s-1的定法向刚度试验，结果表明，随着剪切速率的增大，节理峰值抗剪强度降低[15]。Atapour等对石膏节理试样和混凝土节理试样进行剪切速率为0.005,0.5 mm?s-1的试验，结果表明，石膏平滑节理试样的总摩擦角随剪切速率的增加而减小，混凝土平滑节理试样的总摩擦角随剪切速率的增加而增大[16]。 本文基于Barton峰值抗剪强度理论[17]，对文献[13]、[14]和[16]中定法向应力条件下不同剪切速率的 岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算，探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律，提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度模型。 1 节理试样制备及描述 文献[14]和[16]的试验数据均来自于人工岩石节理试样(水泥节理试样、石膏节理试样和混凝土节理试样)的室内直剪试验(表1)。文献[13]的室内直剪试验对象为天然岩石节理试样，包括4种岩性和5组试验，其物理力学参数见表2。 Patton提出一级起伏体和二级起伏体的概念[18]。就试样尺寸而言，一级起伏体是节理的总体起伏或宏观起伏，二级起伏体是叠加在一级起伏体上随机分布的局部起伏或微观起伏[1]。一级起伏体代表了节理面的起伏度，起伏度分为平直的、台阶状的、锯齿状的和波浪状的;二级起伏体代表了节理面的粗糙度，粗糙度包括粗糙的、平滑的和镜面的[19]。从起伏度和粗糙度两方面对上述节理试样表面形态进行描述(表3)。 2 试验结果整理与计算 除了法向应力之外，总摩擦角是岩石节理抗剪强度的另一个决定性因素，因此，总摩擦角的特征能够代表节理抗剪强度的特征，成为节理抗剪强度研究的焦点。通过分析总摩擦角与剪切速率的关系，探究剪切速率对节理峰值抗剪强度特性的影响。目前，岩石力学界提出了超过10个节理峰值抗剪强度公式，如Patton强度公式[20]、Ladanyi强度公式[21]、Barton强度公式[17]、Jing强度公式[22]、Amadei-Saeb强度公式[23]、Homand强度公式[9]等。其中Barton强度公式[17]形式简单且能够反映节理的粗糙度，是目前应用最为广泛的强度公式。 为了验证式(9)的假设是否成立，需要首先确定节理粗糙度系数，考虑节理粗糙度系数尺寸效应，根据式(3),(6)，采取Δx=2 mm和L0=100 mm，对节理粗糙度系数进行 延拓(节理粗糙度系数大于20)，得到不同人工岩石节理粗糙度系数;由于天然岩石节理粗糙度系数无法计算[13]，所以根据文献[13]对天然岩石节理粗糙程度的描述估算节理粗糙度系数(表5)。白云岩节理试验数据量不足，不予分析。 根据表5和式(9)，对不同节理定法向应力条件下不同剪切速率的室内直剪试验数据进行整理，并对相关参数进行计算(表6)。 3 强度模型分析 由Barton强度公式可知，总摩擦角由剪胀角和基本摩擦角两部分组成。在静态或准静态直剪试验中，剪胀角受到节理粗糙度、节理所受法向应力和节理壁岩强度3个因素影响。为了研究剪切速率对总摩擦角的影响，排除其他因素的干扰，式(9)引入速率摩擦角，将剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响转化为剪切速率对速率摩擦角的影响，多因素变量变成单因素变量，待研究问题得到简化。 根据表6和式(9)，计算不同剪切速率下不同节理试样的速率摩擦角φv平均值进行数据拟合(图2、3)。 对于人工岩石节理试样，当剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内时，随着剪切速率的增加，不同节理试样呈现不同的规律:混凝土节理试样速率摩擦角与剪切速率的负对数呈较好的线性增大关系，根据拟合后的公式计算得到的速率摩擦角最大值与最小值之间相差5?;石膏节理试样和水泥节理试样的速率摩擦角与剪切速率的负对数均呈较好的线性减小关系，根据拟合后的公式计算得到的速率摩擦角最大值与最小值之间分别相差22?和4?。对于天然岩石节理试样，当剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内时，随着剪切速率的增加，不同节理试样呈现不同的规律:砂岩速率摩擦角与剪切速率的负对数呈较好的线性减小关系，根据拟合后的公式计算得到的速率摩擦角最大值与最小值的差值较大，为8?,9?;正长岩速率摩擦角与剪切速率的负对数呈较好的线性增大关系，根据拟合后的公式计算得到的速率摩擦角最大值与最小 值的差值较小，为2?,4?;花岗岩速率摩擦角最大值与最小值之差小于1?，基本不变。 基于上述结果，无论是人工岩石节理还是天然岩石节理，当剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内时，剪切速率对速率摩擦角(即总摩擦角)的影响较大，究其原因为节理上、下表面含有的大量微观二级起伏体，而在节理粗糙度系数经验取值和公式计算值中均无法很好地反映这些微凸体。实际上，节理上、下表面通过微凸体相互接触，微凸体的存在使得节理面间的真实接触面积较小，微凸体的接触方式和破坏模式决定了节理面的接触行为和力学特性。当剪切速率发生变化时，微凸体的接触方式和破坏模式发生变化，使得节理总摩擦角随之增大或减小。当剪切速率较低时，微凸体间的接触时间增加，微凸体变形使节理面间的真实接触面积增大[16]，微凸体间的互锁作用增强，即节理面间的内锁程度增大，因此，需要更大的剪切力克服节理面间的内锁作用，使节理峰值抗剪强度增大。当剪切速率增加时，微凸体变形时间减少，微凸体间的接触面积减小，节理面间的内锁程度下降[16]，导致抗剪强度降低，因此，随着剪切速率增加，水泥、石膏和砂岩节理试样的总摩擦角减小，且减小幅值较大。 对于混凝土节理试样和正长岩节理试样，随着剪切速率增加，总摩擦角增大。从基体材料的角度分析，混凝土节理和正长岩节理微凸体具有较水泥节理、石膏节理和砂岩节理的微凸体更强的非均质性和各向异性，因此，微凸体的强度存在差异。当节理面的微凸体相互接触时，由于微凸体存在强度差异，强度较大的微凸体被压入强度较小的微凸体。当剪切速率较低时，微凸体间接触的时间增加，较强微凸体被挤压嵌入较弱微凸体的比例增大，较弱微凸体被破坏，节理面的较强微凸体发挥主要的阻滑和抗剪断作用。当剪切速率增加时，微凸体间没有充分的时间相互挤压嵌入，除了节理面微凸体间的阻滑作用外，剪切力还要克服强、弱微凸体 共同的抗剪断作用，加之节理面旧微凸体被剪断后新微凸体裸露，使节理面的非均质性和各向异性增强，导致强、弱微凸体的共同抗剪作用进一步增大，从而可能造成总摩擦角随剪切速率的增加而增大。另外，天然岩石节理前向剪切和后向剪切试验的总摩擦角随剪切速率的变化趋势相同，但变化幅值存在差异，主要原因在于只有面向剪切方向的微凸体接触面对节理的抗剪行为发挥主要作用。 总之，节理面的物性和微观几何形态对改变剪切速率情况下总摩擦角的变化产生重要影响，节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈增大或减小的变化趋势，而节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。 4 结 语 (1)基于均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法对Barton提出的节理粗糙度系数进行延拓，利用Barton强度理论对前人关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算。结果表明:当剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内时，岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律。 (2)对于均质性和各向同性较强的节理(如石膏、水泥和砂岩节理等)随剪切速率的增大，总摩擦角减小;对于非均质性和各向异性较强的节理(如混凝土、正长岩节理等)随剪切速率的增大，总摩擦角增大;后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度。 (3)岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率呈增大或减小趋势及幅值变化情况产生重要影响。 (4)由于仪器设备的限制，剪切速率大于0.8 mm?s-1的试验数据较少，本文所涉及剪切试验数据的剪切速率在0,0.8 mm?s-1范围内;总摩擦角随剪切速率的变化规律具有一定的局限性，但本文的工作可为与速率相关的岩石节理剪切力学特性研究提供一些参考。 参考文献: References: [1] 祁生文，伍法权，严福章，等.岩质边坡动力反应 分析[M].北京:科学出版社，2007. 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