壁面強度及粗糙度對含軟弱夾層巖體影響研究

徐成華， 卜爭軍， 眭敏磊， 李 凱

（1.江蘇省地質礦產局第一地質大隊，南京 210041； 2.河海大學地球科學與工程學院，南京 211100）

巖體在構造應力以及各種化學生物作用下，內部會形成大量的諸如節理裂隙、層理斷層等結構面. 結構面的性質決定了裂隙巖體具有不均勻、不連續、非彈性和各向異性的特點，軟弱夾層作為一種特殊的結構面，從1960 年提出以來一直是研究的一個重點方向. 軟弱夾層的巖性、分布、強度、層位等都是重點研究的對象，大量的工程實踐也證明，軟弱夾層復雜且難以處理，其引起的破壞形式多樣，包括滑坡、傾倒、崩塌等［1-4］.不恰當的處理方式會對工程造成毀滅性的破壞，影響人民的生命及財產安全［5］.

目前，研究者們通過室內力學試驗［6-7］、模型試驗［8-9］以及數值模擬［10-11］對軟弱巖層已經進行了大量的研究，并且取得了一定的成果. 王智［12］對路塹中軟弱夾層的抗滑穩定性進行分析，探討了不同傾角的軟弱夾層對滑移面和強度的影響；許飛等［13］以某地區內巖質邊坡為例，分析了顆粒大小和巖層厚度對軟弱夾層穩定性的影響；肖劍飛［14］選擇了不同的邊坡作為研究對象，通過對德魯克-普拉格屈服準則、Mises屈服準則和傳統的摩爾庫倫準則進行了系統的比對，分析了不同含有軟弱夾層邊坡的穩定性；曲永新［15］通過試驗，確認了軟弱夾層破壞的原理是在破壞的過程中，巖層的交界面發生了應力集中，產生了剪切應力；殷勇和周國慶［16］通過塑性極限分析法對軟弱夾層邊界應力條件分析表明，夾層上下邊界粗糙度會對極限荷載造成影響；鞠楊等［17］綜合使用了3D 打印、計算機三維重構、巖石CT 成像的技術制作了含有復雜裂紋的煤巖夾層模型，并定量地觀察了單軸壓縮試驗中裂紋內部的應力場的變化，驗證了3D 打印出的模型的單軸抗壓強度和泊松比等力學性能指標和天然裂紋模型相近，能夠替代試驗；肖維民等［18］基于3D 打印技術對正六棱柱形的節理巖體進行了三維建模，采用白水泥漿進行了澆筑填充，得到的模型進行了單軸抗壓強度試驗，經過試驗分析了六棱柱形節理巖體的變形特征和強度特征，得到了較好的結果，證明了3D 打印技術能夠很好地考慮巖體節理特征和對巖體強度的弱化效應，能夠滿足室內試驗的要求；張海太等［19］以西南某高速公路跨越金沙江大橋為依托，結合室內邊坡模型和有限元模型研究了橋基下方軟弱夾層的存在對邊坡變形的影響；孔令亞等［20］綜合分析了含水率、夾層厚度對軟弱夾層剪切力學特性的影響；郭明珠等［21］通過振動臺模型試驗研究了強震作用下含軟弱夾層順層巖質斜坡的動力響應規律；

早期的巖體破壞研究往往集中于結構面，而很少探討結構面壁面力學性質對軟弱夾層力學性質的影響. 目前對軟弱夾層的研究集中于軟弱夾層本身的性質，例如軟弱夾層的礦物組成、成因、傾角等，但是結構面壁面對軟弱夾層的力學特性依然有著重要的影響，針對結構面和軟弱夾層相互作用導致的強度變化的研究具有重要理論意義和工程意義. 基于此，本文通過室內試驗研究了結構面壁面強度及粗糙度對軟弱夾層強度特性和破壞特性的影響.

1 材料與試驗

1.1 材料選取及試樣制備

采用試驗手段對含結構面的試樣進行剪切變形和破壞機理研究時，需要對多種條件下的試樣進行大量平行試驗，考慮到現場取樣難度大，且原狀樣本身差異性大，難以通過控制變量來滿足室內試驗的需求，因此采用類巖石材料制作試樣，該試樣性質穩定、與野外巖石強度相近且能大量重復制作. 通過以往學者的研究和強度試驗對比，最終選取C32.5硅酸鹽水泥為凝膠材料，選取粒徑1 mm的干燥河砂作為集料，不同的配比可以形成不同的壁面強度，此外，石膏作為建筑材料，因其強度低、性質穩定、可塑性高、成本低廉的優點可以作為軟弱夾層材料.

將確定好水灰比的混凝土加入混凝土攪拌機，攪拌5 min至混凝土均勻，取150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣盒（圖1），將混凝土快速倒入，靜置1 min后將試樣盒放置到振動臺上振動，振動過程中混凝土會坍縮使表面下降，在振動過程中不斷補充混凝土至表面與試樣盒上沿平齊，使用水泥刀將試樣表面刮平，振動3～4 min至表面沒有氣泡產生. 對于完整巖樣（圖2），只需將振動后的試樣靜置24 h后脫模養護28 d后即可用于測定強度；對于試驗需要的含軟弱夾層的試樣需要在振動過程中隨著振動將制作好的插片（圖3）垂直插入試樣正中，保證插片垂直，至不產生氣泡. 保留插片靜置24 h 后脫模養護28 d（圖4）. 試驗中模擬真實巖樣結構面采用了預置結構面的方法，插片采用PVC 材料3D 打印而成，PVC 材料材質輕、防水防潮、具有較好的抗拉、抗彎性，化學性質穩定，可以在試驗中反復使用. 本次使用的插片長14.5 cm、高15 cm、厚0.5 cm，根據壁面粗糙度不同選擇不同的形狀，插片種類合計5種，使用3D打印機打印而成.

圖1 立方體試樣盒圖Fig.1 Cube sample box diagram

圖2 完整試樣Fig.2 Complete sample

圖3 3D打印PVC插片Fig.3 3D printed PVC inserts

圖4 含軟弱夾層試樣Fig.4 Samples with weak interlayer

養護28 d后取出試樣晾干，將試樣重新置于試樣盒中，兩側固定. 按水膏比0.4∶1配置石膏，將流體的石膏快速灌入結構面中，待壁面灌滿溢出停止灌漿，靜置5 min待石膏冷凝后將試樣從試樣盒中取出，為保證試樣充分凝固與壁面黏結，將試樣上放置5 kg配重冷凝靜置1 d之后，試樣可進行室內直剪試驗.

1.2 直剪試驗

結構面壁面在實際工程中形態各異，很難選出具有代表性的壁面進行試驗，因此采用概化壁面來代替真實的壁面. 概化的壁面可以通過調整參數精確地改變試驗中壁面粗糙度. 壁面粗糙度的影響因素主要為壁面起伏高度（h）和起伏角（°），為了便于研究本次試驗中壁面的起伏角度均為45°，起伏高度分別設置為5、10、15、20、25 mm. 壁面強度即為結構面風化后殘留的強度，試驗中利用混凝土的單軸抗壓強度作為變量來代替壁面風化后強度，通過調節水、砂和骨料比來定量控制，共設置了四種壁面強度，分別為15、20、25、30 MPa.

試驗總體遵循《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）中直接剪切試驗的規定. 試驗設計法向應力為1.0、2.0、3.0、4.0 MPa，切向應力加載速度為0.1 mm/s，剪切時在剪切儀旁裝置數碼相機錄制整個試驗過程中試樣的裂紋變化，試驗結束后將剪切面打開平置在試驗臺上觀察試樣的磨蝕和破碎情況.

2 壁面強度影響分析

保持壁面起伏高度為20 mm，將壁面強度為15、20、25、30 MPa的試樣分別在1.0、2.0、3.0、4.0 MPa法向應力下進行直剪試驗，得到其抗剪強度并分析試驗結果.

2.1 強度特征分析

繪制直剪試驗得到的切向位移-切向應力曲線圖（見圖5），可以發現含軟弱夾層巖體的剪切曲線圖和土體的剪切曲線圖類似，達到峰值強度后不會出現較大的強度陡降. 在相同的壁面強度下法向應力越大，試樣的抗剪切強度越大，這種現象在峰值后的階段更為明顯. 隨著壁面強度的增大，試樣的峰值抗剪強度有所增強，峰值強度對應的切向位移呈先增大后減小的趨勢. 在壁面強度相對較低時（見圖5（a）），試樣剪切初始出現應力陡增的現象，分析可能由于壁面出現局部破壞造成，當壁面強度相對較大時（見圖5（c）（d）），在剪切前期出現壓密階段，這是由于壁面強度相對軟弱夾層巖體強度較大，此時壓剪混合作用中壓的作用更為明顯.

圖5 不同法向應力下試樣切向位移-切向應力曲線圖Fig.5 Tangential displacement-tangential stress curves of samples under different normal stresses

2.2 破壞特征分析

壁面強度的強弱在一定程度上影響著含軟弱夾層巖體的破壞情況，在壁面粗糙度相同的情況下分析壁面強度分別為15、25 MPa和30 MPa含軟弱巖體在1、2、3、4 MPa法向應力下的破壞情況.

從試樣的破壞情況可以發現，在法向應力相同的條件下，隨著壁面強度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越?。ㄒ妶D6、7、8），這種規律在法向應力較大時會有所變化，此時隨著壁面強度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越大（見圖9）. 法向應力相對較低時，壁面強度相對較弱的巖體主破裂面位于夾層上部左側位置，壁面強度增大時，主破裂面向夾層上部右側位置偏移，且隨著法向應力的增大，壁面強度相對較弱的巖體破裂面逐漸趨于沿著夾層方向，壁面強度較高的巖體主破裂面則恰恰相反，逐漸與夾層面垂直. 壁面強度弱的巖體在四種法向應力下破裂面均位于夾層上部，但隨著壁面強度的增加，在相對較高法向應力下的試樣破裂面貫穿巖體上下部，表明在不同法向應力下壁面強度對含軟弱夾層的巖體破壞特性的影響有所不同.

圖6 1 MPa法向應力下不同壁面強度試樣破壞圖Fig.6 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 1 MPa normal stress

圖7 2 MPa法向應力下不同壁面強度試樣破壞圖Fig.7 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 2 MPa normal stress

圖8 3 MPa法向應力下不同壁面強度試樣破壞圖Fig.8 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 3 MPa normal stress

圖9 4 MPa法向應力下不同壁面強度試樣破壞圖Fig.9 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 4 MPa normal stress

3 壁面粗糙度影響分析

通過設置壁面起伏高度控制壁面的粗糙度，本文將起伏高度分別設置為5、10、15、20 mm用于表征不同的粗糙度，起伏高度越大表明壁面的粗糙度越大. 壁面強度為20 MPa保持不變，通過觀察不同粗糙度壁面的試樣在1、2、3、4 MPa法向應力下的強度特征和破壞特征，分析壁面粗糙度對含軟弱夾層巖體造成的影響.

3.1 強度特征分析

試樣抗剪強度隨壁面起伏高度的增加（粗糙度增大）而增大，且與法向應力呈正相關關系. 壁面粗糙度對巖體峰值抗剪強度對應的切向位移基本沒有影響. 當壁面粗糙度相對較小時（見圖10（a）（b）），在1 MPa和2 MPa 法向應力下曲線峰值后出現短時間的陡降現象，分析可能是由于低法向應力低粗糙度條件下，軟弱夾層和壁面的摩擦或是咬合能力較弱，壁面起伏處在剪應力到達一定強度時發生破壞. 在峰值前階段，壁面粗糙度的變化并沒有引起強度曲線規律性變化，表明壁面粗糙度與峰值前階段沒有相對應的增減關系.

圖10 不同法向應力下試樣切向位移-切向應力曲線圖Fig.10 Tangential displacement-tangential stress curves of specimens under different normal stresses

3.2 破壞特征分析

在法向應力為1 MPa時，壁面粗糙度較小的試樣沿著軟弱夾層發生破壞（見圖11（a）（b）），隨著壁面粗糙度增加，夾層上部試樣（見圖11（c））和下部試樣（見圖11（d））均出現裂紋. 當法向應力增大到2 MPa時，壁面粗糙度在較小的情況下即出現破壞裂紋（見圖12（b）），且破壞裂紋與水平面的夾角明顯增大. 隨著法向應力繼續增大，所有試樣均出現破壞裂紋，在法向應力4 MPa下破壞裂紋貫穿軟弱夾層，此時隨著壁面粗糙度的增大，主裂紋與水平面的夾角逐漸減小，并且裂紋數有所增加（見圖13、14），表明在高法向應力下壁面粗糙度大的巖體破壞區域以裂紋帶的形式出現，裂紋方向與剪切方向大體一致.

圖11 1 MPa法向應力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.11 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 1 MPa normal stress

圖12 2 MPa法向應力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.12 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 2 MPa normal stress

圖13 3 MPa法向應力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.13 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 3 MPa normal stress

圖14 4 MPa法向應力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.14 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 4 MPa normal stress

4 結論

本文自行設計并制作了不同粗糙度壁面的含軟弱夾層試樣，通過室內直剪試驗，分析了在不同法向應力下壁面強度和壁面粗糙度對含軟弱夾層巖體強度和破壞特征方面的影響，主要得到以下結論：

1）巖體的峰值抗剪強度與壁面強度成正相關關系，峰值強度對應的剪切位移呈現出先增大后減小的趨勢.

2）在不同的法向應力下壁面強度對巖體的破壞情況影響不同. 法向應力較小時，隨著壁面強度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越??；法向應力較大時，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越大.

3）試樣抗剪強度隨壁面起伏高度的增加（粗糙度增大）而增大，且與法向應力呈正相關關系，壁面粗糙度對巖體峰值抗剪強度對應的切向位移影響較小.

4）在法向應力相對較低時，壁面粗糙度小的巖體沿軟弱夾層破壞；隨著壁面粗糙度增大，夾層上部巖體出現破壞裂紋；當法向應力增大時，所有試樣均出現破壞裂紋.