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Experimental Study on Shear Strength Characteristics of Irregular Rock Mass Discontinuities

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Academic year: 2021

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(1) 南 交 通 大 学 学 报 西 第50 卷 第 6期 2015 年 12 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY 文 章编号:02582724(2015)06099308 DOI:10. 3969 / j. issn. 02582724. 2015. 06. 004. . . Vol. 50 No. 6 Dec. 2015. 不规则结构面剪切特性试验研究 张菊连, 沈明荣, , 梁志荣 1. 2 3. 1. (1. 上 海 申 元 岩 土 工 程 有 限 公 司 ,上 海200040;2. 同 济 大 学 土 木 工程学院 ,上海200092;3. 同济大学岩土及 地 下 工 程 教 育 部 重 点 试 验 室 ,上 海200092) 对 岩 体 工 程 中 不 规 则 结 构 面 力 学 特 性 进 行 基 础 性 研 究 ,选 取N. R. Barton 提 出 的10 条 标 准 剖 面 线中 摘 要:为 模 拟 结 构 面 的 表 面 形 态 对 水 泥 砂 浆试件进行不同法向应力水平下的常规剪切试验 ,并在对 的 第1、4、6、8、10 条 试 验 数 据 对 结 构 面 的 剪 切 特 性 和 剪 切 扩 容 现 象 进 行 深 入 分 析 的 基 础 上 ,提 出 了 适 合 水 泥 砂 浆 材 料的抗剪强度经 验 公 式 和 反 正 切 函 数 的 结 构 面 剪 切 特 性 方 程 究 结 果 表 明 :粗 糙 系 数 越 大 或 法 向 应 力 越 大 ,结 构面越易表现为 .研 . 切 齿 破 坏 ;粗 糙 系 数 越 大 或 法 向 应 力 越 小 ,结 构 面 越 易 表 现 出 扩 容 现 象 规 则 结 构 面 ;剪 切 强 度 ;剪 切 变 形 ;扩 容 关键词:不 中图分类号:TU45 文献标志码:A Experimental Study on Shear Strength Characteristics of Irregular Rock Mass Discontinuities. ,. ,. ZHANG Julian1 SHEN Mingrong2,3 LIANG Zhirong1. (1. Shanghai Shen Yuan Geotechnical Engineering Co. Ltd. ,Shanghai 200040,China;2. School of Civil Engineering, ,Shanghai 200092,China;3. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092 ,China). Tongji University. :To study on mechanical properties of irregular discontinuities in rock mass engineering, conventional shear tests under different normal stress were carried out with No. 1 ,4 ,6 ,8 ,10 standard discontinuities proposed by Barton, and simulated with cement mortar specimens. Based on experimental data analysis,shear characteristics and shear dilatancy phenomenon are analyzed in depth. Besides,an empirical shear strength formula and an arc tangent equation of discontinuity shear properties are put forward. Results show that,cutting failure effect is more likely to take place when roughness coefficient or normal stress is higher;dilatancy phenomenon is prone to emerge along with the increase of roughness coefficient or the decrease of normal stress. Key words:irregular discontinuities;shear strength;shear deformation;dilatancy 如 水 电 、公路及市政工程等的实践表明 ,岩 两 诸 个 途 径 :一 是 在 大 量 结 构 面 抗 剪 强 度 的 试 验 基 础 体 破 坏 往往是沿着结构面(断层 、软弱夹层 、岩层 上 ,通 过 分 析 总 结归纳得到经验本构公式 ,代表性 [ ] [ ] 面 及 节 理 裂 隙 )发生的 石的强度并不是影响岩 的 有Patton 公式、Jaeger 和Barton 公式[]等 ; .岩 [ ] 体 破 坏 的主因,因此研究结构面的力学性能相 二 是 在 对 结 构 面 理 论 分 析 的 基 础 上 ,提 出 抗 剪 强 度 论 公 式 ,然 后 进行试验验证 ,根据结果进行必要 .目 对 岩 石 来 说 有 着 更 为 重 要 的 实 践 及 理 论 价 值 前 理 修 正 ,如Ladanyi[]公 结 构 面 力 学 性 能 的 研 究 主 要 集 中 在 剪 切 强 度 上 ,有 的 式 等 分 研 究 集中在粗糙 .部 Abstract. 2. 3. 1. 5. 收稿日期:20141024 海 市 科 技 人 才 计 划 项 目 (14XD1420400 ) 基金项目:上 菊 连 (1984 - ),女 ,高 级 工 程 师 ,博 士 ,研 究 方 向 为 基 坑 和 边 坡 工 程 ,Email:327804253@ qq. com 作者简介:张 菊 连 ,沈 明 荣 ,梁 志 荣 规 则 结 构 面 剪 切 特 性 试 验 研 究 [J]. 西 南 交 通 大 学 学 报 ,2015 ,50 (6 ):9931000. . 不 引文格式:张. 4.

(2) 西 南 交 通 大 学 学 报 第50 卷 系 数 的 定 量 化度量工作上[ ],但这些工作还缺乏 剪 切 试 验 向 应 力 分 别 取 完 整 试 件 无 侧 限 单 轴 抗 .法 对 结 构 面 剪 切 变 形 特 性 及 本 构 关 系 的 深 入 研 究 强 度的50% 、40% 、30% 、20% ,即0. 5σ 、0. 4σ 、 .现 压 [ ] 有 结 构 面 剪 切 强 度及变形特性的基础性研究 多 0. 3σ 、0. 2σ . 剪 切 试 验 采 用 分 步 加 载 ,先 加 法 向 应 是 针 对 规 则 齿 形 结 构 面 ,而 对 不 规 则 结 构 面 的 研 究 力 ,待 稳 定 后 再 施 加 剪 切 应 力 ,直 至 试 件 发 生 破 坏 . . 较 少 为对岩体工程中不规则结构面的力学特性进 行 基 础 性 研 究 ,选 取N. R. Barton 提 出的10 条标准 剖 面 线 中的第1、4、6、8、10 条(粗糙系数R 分别 为1、7、11、15、19 )作为人工模拟结构面的表面形 态 ,并 用 水 泥 砂 浆浇注成试件 ,进行不同法向应力 水 平 下 的常规室内剪切试验 过对抗剪强度与 .通 图1 钢 模 实 图 R 之 间 的 拟 合 曲 线 ,建立适合本模型的结构面抗 Fig. 1 Steel mould 剪 强 度 经 验 公 式 ;通过对剪切特性的深入研究 ,找 验 严 格 按 照 前 述 设 计 方 案 和 控 制 过 程 进 行 , 出 粗 糙 系 数 和 法向应力对结构面破坏模式的影响 试 到 规 范 操 作 ,尽量减小人为误差 ,以期达到较为 关 系 ;并 根 据 曲 线 形 态 采 用 反 正 切 函 数 建 立 了 结 构 做 确 地 能 够 反 映不规则剪切结构面力学特性的试 面 剪 切 特 性 方 程 ;通过对扩容曲线的分析对比 ,对 准 结 果 . 结 构 面 的 剪 切 扩 容 特 性 进 行 了 定 性 分 析 规 则 结 验 .不 构 面 剪 切 特 性 的 研 究 为 岩 体 工 程 提 供 了 参 考 ,丰 富 2 结 构面的强度特性 . 了 结 构 面 的 理 论 基 础 研 究 通 过 对2 块完整试件进行无侧限单轴抗压强 验材料及试验方案 1 试 度 试验 ,得到材料单轴抗压强度σ = 25 MPa. 因 此 ,结构面剪切试验采用以下4 个法向力 :12. 5、 验设备 1. 1 试 过 另 外3 块 完 整 试 件 在 法 向 室 内 常 规 剪切试验采用长春试验机研究所研 10. 0、7. 5、5. 0 MPa. 通 ,得到极限剪 ,试验机的功 力4. 5、9. 5、14. 5 MPa 下的剪切试验 制 的CSS1950 岩石双轴流变试验机 力 分 别 为10. 6、15. 2、16. 4 MPa,通过法向力 极 能 、加载范围 、加载控制方式以及精度参见文 切 限 剪 切 力 直 线 拟合得到完整试样的抗剪强度参数 献 [10]. c = 8. 556 MPa, φ = 30°. 件制备 1. 2 试 完 整 试 块 的 破坏形态和岩石相近 力 变 .应 应 型材料选用325 号水泥 、标准砂和水 ,试样 模 曲 线 (图2)可 分 为 压 密 阶 段 、弹 性 变 形 阶段和塑性 制 备 步 骤 如 下 : 形 阶 段 ,与 典 型 的 岩 石 应 力 变 曲 线 相 似 ,水 泥 应 (1 )按一批可浇筑5 个试块 ,考虑材料总重 变 浆 制 成 的 试 块 可 以 代 表 某 一 类 岩 石 . 配 合 比 水 :水 泥 :砂= 1:2:4 称量好各种材 砂 15 kg. 按 料 ,然 后 混 合 搅 拌 均 匀 以 制 备 水 泥 砂 浆 浆 液 . (2)将 制 备 好 的 水 泥 砂 浆 分 层 浇 入 钢 模 ,分 层 捣 实 ,最 后 将 表 面 抹 平 . (3)试 样 成形24 h 后拆模 ,在标准养护条件 下 养 护28 d 后 进 行 试 验 . 本 次 试 验 分5 批 制 备结构面试样 ,1 批制备完 整 试 样 批试样的养护条件和总时间均保证相 .每 同 ,以 避 免 环 境 因 素 造 成 试 件 强 度 差 异 .  试 样制备所采用的钢模由模具厂严格按照 图2 完 整 试 块 的 应 力 变 曲 线 应 应 的Barton 曲 线 形态制造 , R = 1、 7、 11 、 15 、 19 对 Fig. 2 Stressstrain curve of intact specimen 钢 模 见 图1. 构面强度特性分析 2. 1 结 验方法 1. 3 试 过 法 向 应力和极限剪应力线性拟合可得结 试 样 养 护 完成后在给定法向应力下进行常规 通 994. 68. n. n. 9. n. n. JRC. JRC. c. . . . . . . . . . . . . JRC. . .

(3) 第5 期 张菊连,等:不规则结构面剪切特性试验研究 995 构 面的抗剪强度参数c 及φ ,参数和拟合相关系 τ = σ tan [ R lg ( C ) + φ ] , (1) σ 图3. 数 见 表1 及 式 中 :R 为粗糙系数 ,可参照N. R. Barton 给出 表1 结构面抗剪强度参数试验值 的 典 型 曲 线 取 值 ; Tab. 1 Testing shear strength parameters of discontinuities 结 构 面 壁 面有效抗压强度 ,未风化时可 C 为 c / MPa φ / (° ) 相 编 号 R 关 系 数 按 完 整 岩 石 强 度 进 行 取 值 ; 1 1 2. 610 30. 75 0. 973 平 直 结 构 面 基 本 摩 擦 角 ; φ 为 4 7 2. 031 37. 49 0. 994 法 向 应 力 . 6 11 1. 916 40. 40 0. 958 σ 为 j. j. JCS. n. JRC. b. n. JRC. JCS. JRC. j. j. b. n. 8. 15. 1. 818. 44. 22. 0. 980. 10. 19. 2. 514. 44. 56. 0. 987. .  . τ. .   . τ.  . . τ. 

(4) . . σ. σ. .  . . . . 

(5)    . . . . .   . . . .  .  . . .  . τ.  . . τ. . 

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(7). . σ. σ.   . . .  . .  . τ. . . σ. . . . . . . . (a)c 与 粗 糙 系 数 的 关 系.  . . . . . . . j. . σ. . 图结 构 面 抗 剪 强 度 拟 合 直 线. 3 Fig. 3 Fitting shear strength lines of discontinuities. . ϕ  

(8)

(9) . 由 表1 可 看 出 ,结 构 面 的 抗 剪 强 度 参 数 具 有如 下 变 化 规律 :除10 号结构面的抗剪强度参数c 因 试 验 误 差 突 然 增 大 外 ,其 余 结 构 面 的 抗 剪 强 度 参 数 随 粗 糙 系 数 的 增 大 而 减 小 ;结 构 面的抗剪强度 c 均 参 数φ 随 结 构面粗糙度的增大而增大 一现象 .这 说 明 抗 剪 强 度 与 粗 糙 系 数 之 间 存 在 相 关 关 系 . (b)φ 与 粗 糙 系 数 的 关 系 以R 为横坐标 ,抗剪强度参数(c 与φ )为 图4 结构面 综 合 抗 剪 强 度 参 数 与 粗 糙 系 数 的 关 系 纵 坐 标 绘 制 了 散 点 图 (除第10 号结构面),并采用 Fig. 4 Relationship between R and shear strength parameters of discontinuities 对 数 函 数 对 试 验 结 果 进 行 了 拟 合 (图4 ). 图4 表明 现 良 好 的 对 数关系 此 C 取完整试件单轴抗压强度25 MPa;φ 可 结 构 面 抗 剪 强 度 与R 呈 .由 可 预 测 其 它 由N. R. Barton 提出的标准曲线抗剪 按1 号 结 构 面 等 效 摩 擦角取值 (1 )是假设平直 .式 强 度 参 数 (表2). 结 构 面 的 粘 聚 力 为 零 ,故 应 由 粘 聚 力 及 摩 擦 角 转 化 为 一 个 等 效 摩 擦 角 ,1 号 结构面四个法向力下对应 表2 其它5 条Barton 标准结构面抗剪强度参数 Tab. 2 Shear strength parameters of the other five 的 等 效 摩 擦 角分别为39. 8°、40. 3°、42. 5°、51. 1°. standard types of discontinuities proposed by Barton [ ] 为φ 应 为 现 场 结 构 面 所 能达到的最 Douglous 认 c / MPa φ / (° ) 编 号 R 小 摩擦角 ,取为39. 8°. 根据上述取值原则可得 2 3 2. 289 35. 25 型 预 测 值 (表3). 从表3 预测值与实测 JRCJCS 模 3 5 2. 141 37. 65 值 的 比 值 一 栏 可 以 看 出 ,除1 号 结 构 面 在4. 5 MPa 5 9 1. 971 40. 41 的 法 向 力 下 试验得到的最大剪应力与JRCJCS 模 7 13 1. 864 42. 14 9 17 1. 786 43. 39 型 预 测 值 相 差 较大外 ,其余均很接近 ,两者比值介 于 间 且 绝 大 部 分小于1. 说明JRC 0. 843 ~ 1. 020 之 验公式预测值比较 2. 2 与 Barton 经 JCS 模 型 预 测 抗 剪 强 度 偏 于安全 ,这可能是由于所 N. R. Barton [ ]曾 提 出 著 名 的JRCJCS 模 型 : 研 究 的 材 料 不 同 . .  . . . ϕ . . . . .   . . j. . j. . . . . . . j. . . j. JRC. j. j. JRC. JRC. JCS. b. 15. b. JRC. j. 4. j.

(10) 西 南 交 通 大 学 学 报. 996. 表3 . 模型预测值与试验结果的比较. JRCJCS Tab. 3 Comparison between the testing results and the prediction results based on JRCJCS model JRC. 4. 50. 4. 6. 8. 10. 1. 7. 11. 3. 877. 0. 695. 7. 05. 6. 453. 6. 032. 0. 935. 9. 55. 8. 113. 8. 133. 1. 002. 12. 05. 10. 022. 10. 225. 1. 020. 4. 60. 5. 388. 4. 624. 0. 858. 7. 10. 7. 669. 6. 815. 0. 889. 9. 58. 9. 511. 8. 907. 0. 937. 12. 06. 11. 129. 10. 942. 0. 983. 4. 60. 6. 079. 5. 124. 0. 843. 7. 08. 7. 263. 7. 338. 1. 010. 9. 57. 10. 700. 9. 433. 0. 882. 12. 06. 11. 993. 11. 438. 0. 954. 4. 60. 6. 375. 5. 686. 0. 892. 7. 10. 8. 318. 7. 941. 0. 955. 结 构 面 变 形 特 性 通 常由应力 变曲线的形态 应 [ ] 于 结 构 面 的 表 面形态千变万化 ,因此 来 描 述.由 剪 切 力 作 用 下 的剪切位移曲线也表现出不同的形 态 ,通 过 这 些 形 态 的 描 述 可 以 揭 示 出 结 构 面 剪 切 的 力 学 特 性 . 构面剪切位移曲线 3. 1 结 本 次 结 构 面 剪 切 曲 线 与 预 期 较 为 符 合 ,能 够 反 映 不 同 粗 糙 系 数的结构面在不同法向应力下的变 形 特 性 (图6 ~ 9). 从 曲 线 形 态 上 看 ,剪切破坏应力 . 曲 线 可 分 为 软 弱 型 和 切 齿 型 两 类 . 11. . 15. 19. 9. 57. 11. 709. 9. 999. 0. 854. 11. 98. 13. 223. 11. 893. 0. 899. 4. 60. 6. 864. 6. 324. 0. 921. 7. 09. 9. 951. 8. 570. 0. 861. 9. 58. 11. 579. 10. 608. 0. 916. 12. 05. 14. 476. 12. 488. 0. 863.  . JRC. j. n. n. j. JRC. JRC. . 图6 . n. JRC. .  . . . . . . . . . . . 时 不 同 结 构 面 剪 切 位 移 曲 线. R JRC σ n = 7. 5 MPa Fig. 6 Shear displacement curves of discontinuities with different R JRC when σ n = 7. 5 MPa. 从 图6 可 以 看 出 :在 粗 糙 系 数 较 小 时(1 ~ 8 号 结 构 面 ,R = 1,7,11,15 ),剪应力达到峰值后 ,由 于 结 构 面 表 面 凸 起 物 在 剪 切 作 用 下 受 到 少 量 磨 损 , 应 力 随 位 移 增 加而缓慢下降 ,表现为滑动破坏 ;当 粗 糙 系 数 较 大 时(10 号结构面 ,R = 19 ),剪应力 达 到 峰 值 后 ,应 力随位移增加而迅速下降 ,这是结 构 面 凸 起 物 被 剪断 ,强度突然下降造成的 ,表现为 切 齿 破 坏 外 ,从剪切位移曲线中最大剪应力对 .另 应 的 剪 切 位 移 量u (τ )可以看出 :在粗糙系数较 小 时(R = 1,7,11 ),u (τ )随结构面粗糙系数 的 增 大 而 增大 ;在粗糙系数较大时(R = 11,15, 结 构 面 粗 糙系数的增大而减小 说明在粗 19 )随 .这 糙 系 数 较 小 时 ,结 构 面 剪 切 特 性 主 要 表 现 为 剪 切 位 移 量 较 大 的 滑 移 模 式 ,在 粗 糙 系 数 较 大 时 表 现 为 剪 切 位 移 量 较 小 的 切 齿 模 式 . 从 图7 可以看出 :在法向应力较小时(σ = 剪 应 力 达 到峰值后 ,应力随位移增加 5 ~ 10 MPa), 而 缓 慢 下 降 ,剪 切位移曲线主要表现为滑移型 ;而 在 法 向 应 力 较大时(σ = 12. 5 MPa ),剪应力达到 峰 值 后 ,应 力 随 位移增加而迅速下降 ,剪切变形曲 JRC. JRC. max. JRC. max. . . n.  . .  . . . . . . 图. . JRC. 

(11) 

(12)  . .  . n. b.  . . n. j. .   . . 结构面抗剪强度受法向应力和粗糙系数的影 响 型不考虑粘聚力 ,对水泥砂浆材料 . JRCJCS 模 抗 剪 性 能 预 测 偏于安全 克服上述缺点 ,结合试 .为 验 数 据 及 图4,提 出 一 个 基 于 对 数 函 数 的 经 验 公 式 τ = c (R , σ )+ σ tan[φ (R , σ )], (2 ) 式 中 :φ = 1. 85 R lg(25 / σ )+ 37. 0. 该 经 验 公 式 包含的c 和φ 都为法向应力σ 和R 的 关 系 式 (2 )预测的剪应力与实测值的 .式 比 值范围为0. 864 ~ 1. 111,且均匀分散在1 的两 侧 比JRCJCS 模型预测值(图5,散点越接近 .相 线则预测值与实测值越接近),可以看出 y = x直 测 值 更 为 接 近 实 测 值 . 式 (2)预 j.  . . τ. 1. 5. 582. 结构面的变形特性. 3 . 编R 法 向 应极 限 剪 应 力JRCJCS 模 型预 测 值/ 测 值 号 力/ MPa 实 测 值/ MPa 预 测 值/ MPa 实. 第50 卷. 模 型 、式 ( )预 测 值 的 比 较 (). 5 JRCJCS 2 Fig. 5 Comparison between JRCJCS model and 2 formulas predictions. n.

(13) 第5 期 张菊连,等:不规则结构面剪切特性试验研究 997 线 主 要 表 现 为 切 齿 型 过 比 较u(τ )可 以发现 , 破 坏 ;当 粗 糙 系数很大时(R = 19 ),若法向应力 .通 结 较 , 在 法 向 应 力 较 小 时 (σ = 5 ~ 10 MPa),u(τ )随 大(σ = 7. 5 ~ 12. 5 MPa),达到极限剪应力后 构 面 法 向应力的增大而增大 ,在法向应力较大时 应 力 随 位 移 增 加 均 迅 速 下 降 ,主 要 表 现 为 凸 起 物 被 (σ = 10 ~ 12. 5 MPa)随法向应力增大而减小 断 后 强 度 迅 速 下 降 的 切 齿 破 坏 .这 剪 . 说 明 法 向 应 力 较小时结构面剪切特性主要表现为 从 图9(a )~ (b )的比较中可以看出 :法向应 滑 移 模 式 ,法 向 应 力 较 大 时 主 要 表 现 为 切 齿 模 式 力 较 小 时 (σ = 5. 0 MPa ),达到极限剪应力后 ,应 . 力 随 位 移 增 加 而缓慢下降 ,主要表现为滑移破坏 ; 当 法向应力很大时(σ = 12. 5 MPa),只有第8 和 结 构 面表现为切齿破坏 ,其余均以滑移破 第10 类 坏 为 主 . max. n. JRC. max. n. n. n. . . σ. σ. σ. σ. τ. . 

(14) . . 

(15) . n. . 

(16) . . 

(17) . .  . .  . . .  . . . . . . τ.  .  . 图7 第8 号 结 构 面 在 (R = 15) 不 同 法 向 应 力 下 的 剪 切 位 移 曲 线.   .  . JRC. . Fig. 7 Shear displacement curves of discontinuities with R JRC = 15 under different σ n.  . 从 图8(a )~ (b )的比较中可以看出 :当粗糙 系 数 很 小时(R = 1 ),在不同法向应力下(σ = 5. 0 ~ 12. 5 MPa), 达 到 极限剪应力后 ,应力随位移 增加而缓慢下降,结构面滑移磨损,均表现为滑移 JRC. τ. (a)σ. n. . . = 5. 0 MPa. σ. σ. σ. σ. . . 

(18) . . 

(19) . . 

(20) . . 

(21) . . . . . .   . . .  . . . . . . . . . 

(22) . . (b)σ = 12. 5 MPa 图9 不 同 粗 糙 系 数 结 构 面 剪 切 位 移 曲 线 n.  . . . . . . .  . (a)第1 号 结 构 面 (R . . τ. . n. . .  . τ. . . σ. σ. σ. σ. JRC. =2. Fig. 9 Shear displacement curves of discontinuities with different R JRC. ). 

(23) . . 

(24) . . 

(25) . . 

(26) . . . .  . . . . .  . (b)第10 号 结 构 面 (R = 19) 图8 不 同 法 向 应 力 下 的 剪 切 位 移 曲 线 JRC. Fig. 8 Shear displacement curves of discontinuities under different σ n. 通 过 上 述 分 析 可 以 得 出 ,结 构 面 粗 糙 系 数 越 大 或 其 所 受 法 向 应 力 越 大 ,其 剪 切 变 形 特 性 表 现 为 切 齿 破 坏 ,但 粗 糙 系 数 对 破 坏 模 式 的 影 响 大 于 法 向 应 . 力 的 影 响 构面剪切位移曲线经验公式 3. 2 结 试 验 结 果 表 明 ,结 构 面 剪 切 位 移 曲 线 大 致 可 分 为3 个阶段 :(1 )弹性变形 阶 段 ;(2 )过渡阶段 ; [ ] 移 或剪切破坏阶段 . 除最后一阶段表现 (3)滑 差 异 性 较 大 外 ,前 两 阶 段 的 位 移 曲 线 具 有 较 好 的 相 似 性 ,可 针 对 前 两阶段进行函数拟合 结构面剪 .从 切 位 移 曲 线 形 态 来 看 ,反 正 切 函 数 能 较 好 的 拟 合 该 类 曲 线 ,具 体 形 式 为 11.

(27) 西 南 交 通 大 学 学 报 第50 卷 (3) 的 剪 切 扩 容 曲 线 ,v 表 示 竖向变形量 ,v 轴上半部分 τ = a + barctan(cu + d), 剪 应 力 ,MPa; 式 中 :τ 为 表 示 试 件 发 生 扩 容 ,下 半 部 分 表 示 试 件 被 压 缩 . 剪 切 位 移 ,mm; u为 表4 结构面剪切位移拟合公式系数 与结构面剪切位移曲线形态有关 a、 b、c、d 是 Tab. 4 Shear displacement fitting equation . 的 系 数 factors of discontinuities 根 据 反 正 切 曲 线 的 性 质 可 知 :a + (π / 2)b 是 与 编号 R σ / MPa a b c d 剪 应 力 峰 值有关的参数 ;c、d 是与破坏模式有关的 5. 0 2. 75 2. 59 2. 70 - 1. 76 7. 5 2. 77 2. 81 5. 65 - 1. 15 参 数 用 式 (3)对 五 组 结 构 面 在 四 个 法 向 应 力 下 应 1 1 .采 10. 0 3. 92 3. 40 2. 26 - 2. 28 应 变曲线进行拟合发现 ,除第10 (R = 11, 力 12. 5 5. 16 4. 43 3. 16 - 2. 34 13(R =15, 15 (R = σ =7. 5 MPa)、 σ =5. 0 MPa )、 5. 0 2. 56 2. 19 8. 23 - 2. 09 ) 条 曲 线 拟 合 性 较 差 外 , 其 它拟合 15 , =10. 0 MPa σ 7. 5 3. 51 2. 81 10. 59 - 3. 72 4 7 效 果 较 好 ,部 分 拟 合 效 果 见 图10. 10. 0 5. 24 4. 73 4. 37 - 2. 08 998. JRC. n. JRC. n. JRC. n. JRC. n. . . τ. . .  . 6. 11. . 8. 15. . 10.  . . . . . . . (a)R. JRC. . τ. . ,. = 7 σ n = 7. 5 MPa.  . . .  . . . . . . .  . (b)R = 19,σ = 10. 0 MPa 图10 结 构 面 剪 切 位 移 拟 合 曲 线 JRC. n. Fig. 10 Fitting curves of the shear displacement of discontinuities. 表4 给 出 了 剪 切 位 移 拟 合 函 数 系 数 表4 中 .从 可 以看出 :a、b 随法向应力的增大而增大 ,随R 的 增 大而增大 ,说明a、b 与剪应力峰值有关 ;c、d 由 法 向 应 力 和R 共 同 决 定 ,与 单 一 因 素的关系不 明 显 . 构面的扩容特性分析 3. 3 结 于 结 构 面 沿 凸 起 体 向 上 或 向 下 发 生 滑 移 ,在 由 进 行 结 构 面 剪 切试验时 ,既可以测量到剪切位移 , .图 11 ~ 12 给 也 可 以测量到法向位移 出了结构面 JRC. JRC. 19. 12. 5. 5. 88. 5. 37. 3. 54. 5. 0. 2. 87. 2. 36. 10. 28. - 1. 84 - 1. 96. 10. 0. 5. 65. 5. 86. 3. 46. - 1. 26. 12. 5. 5. 74. 4. 42. 4. 18. - 3. 71. 7. 5. 3. 33. 4. 04. 3. 54. - 0. 94. 12. 5. 6. 38. 6. 18. 3. 09. - 1. 59. 5. 0. 3. 37. 2. 97. 6. 14. - 2. 00. 7. 5. 6. 10. 5. 56. 3. 79. - 1. 71. 10. 0. 5. 98. 5. 61. 3. 86. - 1. 74. 12. 5. 8. 01. 8. 06. 2. 90. - 1. 54. 对 比 图11(a)~ (c)中结构面的竖向变形量v . 可 以 发 现 ,法 向 应 力 越 大 ,试 样 的 压 缩 变 形 越 显 著 这 是 由 于 试 件 在高法向应力下裂隙发生闭合引起 的 变 形 量 大 于 结构面沿凸起体爬坡引起的竖向变 形 量 ,试 样 总 体 呈 压 缩 变 形 . 需 要 说 明 的是 ,在高法向力剪切作用后期 ,材 料 内 部 裂 隙 扩 展及连通 ,试件内部孔隙增加 ,可能 会 导 致 试 样 发 生 剪 切 扩 容 . 由 图11(a)~ (c)还可以看出 ,在相同法向应 力 下 ,第4、6、8、10 号 结构面(粗糙系数较大)的扩 容 现 象 较 第1 号 结 构 面(粗糙系数较小)的扩容现 象 显 著 ,但 结 构 面 最 大 竖 向 变 形 量 和 粗 糙 系 数 却 没 有 相 关 关 系 ,可 能 是 由 于 压 缩 引 起 的 裂 缝 闭 合 和 剪 切 引 起 的 扩 容 均 发 展 无 规 律 . 对 比 图12(a)~ (c)中结构面的竖向变形量v 可 以 发 现 ,随 着R 的增加 ,不同法向应力下结构 面 的 扩 容 现 象趋于显著 是因为R 越大 ,结构 .这 面 的 凸 起 物 越 高 ,结 构 面 沿 凸 起 物 滑 动 而 引 起 的 竖 向 位 移 量 越 大 ;粗 糙 系 数 相 同 的 结 构 面 在 低 法 向 应 力 下 的 扩 容 现 象 比 高 法 向 应 力 的 扩 容 现 象 明 显 ,说 明 竖 向 约 束 越 小 ,上 部 试 块 沿 结 构 面 突 起 物 爬 坡 的 可 能 性 越 大 . JRC. JRC.

(28) 第5 期 张菊连,等:不规则结构面剪切特性试验研究 999 综 上 分 析 可 知 ,结 构 面 剪 切 扩 容 现 象 与 结 构 面 数 的 增 大(或法向应力的减小),结构面的剪切扩 的 粗 糙 系 数 及 其 所 受 法 向 应 力 密 切 相 关 :随 粗 糙 系 容 现 象 趋 于 显 著 . .  . .  .   . . .       .   . . . . . . . .   . . . . . . .   .  . . . . . . . . . . 

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(30). (a)σ. . . . . . . . . . 

(31) .  . (b)σ = 7. 5 MPa 图11 不 同 粗 糙 系 数 结 构 面 扩 容 曲 线. = 5 MPa. n. . (c)σ. n. n. = 12. 5 MPa. Fig. 11 Dilatancy curves of discontinuities with different R JRC. . σ σ σ. . . σ. . 

(32) . . 

(33) . . . 

(34) . . σ. σ. σ. σ. . 

(35) . . . . 

(36)  . σ.

(37)  . σ.

(38)  . σ.

(39)  . σ. . .  . . . . . . . 

(40) . . 

(41) . . 

(42) . . 

(43) . . .  . . . . . . . . . . . . . .  . (a)第1 号 结 构 面 (R. . . . . . . JRC. =1. ). . . .  .  . (b)第6 号 结 构 面 (R = 11) 同 法 向 应 力 下 的 扩 容 曲 线 图12 不. (c)第10 号 结 构 面 (R. JRC. JRC. = 19. ). Fig. 12 Dilatancy curves of discontinuities under different σ n. 4 . 结 论. 参考文献:. 本 次 研 究 选 取 了N. R. Barton 提 出 的 第1、4、 条标准曲线模拟结构面的表面形态 ,对 6、 8、 10 五 水 泥 砂 浆 试 样 进行了不同法向应力水平下的常规 剪 切 试 验 ,研 究 了结构面的剪切力学特性 过分 .通 析 结 构 面 的 剪 切 强 度 特 性 和 变 形 特 性 ,得 出 了 如 下 结 论 : 构 面 抗 剪 强度参数粘聚力c 随粗糙系 (1)结 数R 的增大而减小 ,摩擦角φ 随粗糙系数的增 大 而 增 大 ,二 者 与R 均 呈 现 良 好 的 对 数 关 系 ; (2)试 验 中 结构面破坏模式主要有滑动型和 切 齿 型 法 向 应 力 对 破 坏模式均有影响 ,R .R 及 越 大 或 所 受 法 向 应 力 越 大 ,结 构 面 剪 切 变 形 特 性 越 易 表 现 出 切 齿 破 坏 模 式 ,但R 对 破 坏 模式的影响 大 于 法 向 应 力 对 破 坏 模 式 的 影 响 ; (3)结 构 面的剪切扩容现象与结构面的R 及 其 所 受 法 向 应 力 均 相 关 :随 粗 糙 系 数 的 增 大 或 法 . 向 应 力 的 减 小 ,结 构 面 的 剪 切 扩 容 现 象 趋 于 显 著 . j. JRC. j. JRC. JRC. JRC. JRC. JRC. [1] LYSANDRO S through. rock. P.. Rock slope stability assessment mass. classification. []. systems J .. International Journal of Rock Mechanics & Mining. , , ( ):315325.. Sciences 2009 46 2. [2] PATTON F D. Multiple model of shear failure in rock[C]∥ Proc. of the 1st Cong. ISRM. Lisbon: [s. n. ],1966:509513. [3] JAEGER J C. Friction of rocks and stability of rock slopes[J]. Geotechncique,1971 ,21 (2 ):97134. [4] BARTONN R. Review of a new shear strength criterion for rock joints[J]. Engineering Geology,1973 ,7 (4 ): 287332.. [5] LADANYI B,ARCHAMBAULT G. Simulation of shear behavior of a jointed rock mass[C ]∥Proc. of the 11th Symposium on Rock Mechanics. California:[s. n. ], 1970 :105125. . 岩 [6] 李 化 ,黄润秋 石结构面粗糙度系数JRC 定量确 ,2014,33 (增 定 方 法 研 究 [J]. 岩石力学与工程学报 刊2):34893497..

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参照

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