基于不共面非贯通节理岩体的扩展贯通分析

通过颗粒力链演化情况、法向接触力及切向接触力的分布、测量圆监测岩桥与节理应力三种细观机理分析，认为不同剪应变所对应的力链图能真实反映颗粒间接触大小，给出了岩桥贯通路径。玫瑰接触力图及测量圆分别从两个不同角度解释了 60°节理倾角抗剪强度大于 15°节理倾角抗剪强度，验证了室内试验得到数据的正确性及合理性。
第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

随着我国经济水平高速发展和城市化建设的需要，建设大型工程的数量逐年增加，例如南水北调工程，西气东输工程，昆沪线、成昆线和贵广线高速铁路建设等。其工程通常处于岩体这一复杂地质介质，因此对岩体的强度和变形研究具有极高的工程价值和应用前景。岩体作为一种复杂的地质介质，在漫长的地壳运动中形成了不规则的构造痕迹。岩体不是均质的，而是许许多多的滑动面、裂隙、节理、弱面、夹层以及断层等组成的非均质各向异性和非连续的复合结构体[1]。被断裂面分割的岩层或岩体沿着断裂面没有发生显著的相对位移，或者相对位移很小的断裂构造，称为节理[2]。工程岩体的破坏和失稳通常是由于节理面的张开、闭合和岩桥贯通所引起的。依据节理面是否贯通整个岩体，可分为贯通节理岩体与非贯通（断续）节理岩体[3]。若岩体中存在连续且贯穿边界的节理，则称为贯通节理岩体；若岩体中存在一条或多条相互交错发育，未将整个岩体完全分离，则称为非贯通节理岩体。前者的强度主要由节理面粗糙程度和起伏角等决定，而后者的强度主要由节理的倾角和迹长等决定。非贯通节理岩体的破坏通常是由于原生节理在外部荷载作用下产生次生裂纹，次生裂纹的扩展与原生节理贯通整个岩体产生破坏。岩体的破坏通常是由节理和岩桥共同破坏所组成，岩体的抗剪强度也由节理和岩桥共同承担[4]。由于岩桥的存在，非贯通节理岩体力学性能演化与破裂特征也会不同。通常表现为节理端部高度应力集中，导致脆性断裂破坏，整体的破坏特征表现为原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面[5]。岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特性在很大程度上取决的非贯通节理面的规模、密度和空间分布的特征控制。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非贯通节理的预制方法

对于贯通节理，有学者研究其起伏角以及 12 条 Barton 节理对岩体强度和变形的影响；对于非贯通节理，也有学者研究其节理长度和倾斜角度的影响。对以上的规律研究存在取样困难，因此非贯通节理岩体的室内试验常用类岩石材料预制节理来实现。类岩石材料常用水泥、水、砂子以及石膏等其他材料混合制成。类岩石材料能满足岩石材料两个重要的特征即：脆性与剪胀性，该模拟方法已得到广泛运用。模拟节理的方法通常在浇筑水泥砂浆后，预埋云母片或金属片，也有在试件养护完成后，利用高压水刀进行切割。考虑其成本因素使用较多方法为预埋金属片。刘东燕(1994)[6]选用厚度为 0.07～0.2mm 的紫铜片。白世伟(1999)[7]将薄钢片沿试样中部预埋于指定位置，利用石膏混合料在初凝过程自发热，形成闭合节理。陈新(2011)[8]在模具盖板上预埋 0.3mm 厚的不锈钢片形成张开节理。高青鹏(2019)[9]采用厚度为 0.6mm 的云母片预制张开节理。杨圣奇(2007)[10]采用高速电动切割机切割形成张开节理，并填充石膏等强度较低的介质。李银平(2004)[11]通过机器钻孔和手工打磨两个步骤，在大理岩内部预制张开节理。

第二章 不共面非贯通节理岩体试验方案设计

在工程实际中，岩体的节理和裂隙相互交错排列分布形式多样，为方便试验研究，将其简化为不同类型。国内外对节理裂隙岩体试验方法主要有单轴、常规三轴和直剪试验，与单轴压缩试验相比，室内常规三轴和直剪试验的环境更接近于工程岩体中的受力情况。本章简单概述单轴或常规三轴试验节理岩体几何分布，主要介绍直剪试验研究非贯通节理岩体的不同工况。通过直剪试验，可研究非贯通节理岩体峰值抗剪强度及裂纹扩展路径。

2.1 节理岩体几何分布形态

2.1.1 单轴及常规三轴试验中节理岩体几何分布类型

国内外研究学者对节理岩体的单轴试验研究较多，主要集中研究单条节理的力学性质，但与工程实际情况相差甚远。由于节理的分列排布形式不同，借鉴几种常见非贯通节理岩体试验试样，按照节理数量来分类。

1.一条非贯通节理几何模型

非贯通单一节理岩体几何模型图如图 2-1 所示[42]，该模型大多进行单轴压缩实验，分析裂纹扩展及其单轴抗压强度影响因素，研究成果丰富，建立的理论强度公式也较多。

2.2 不共面非贯通节理岩体试样制备

岩体中节理的长度及倾角反映非贯通节理岩体的连续性。研究不同节理产状(迹长、倾角、起伏角等)对非贯通节理岩体的强度变形特性、破坏贯通机理等具有十分重要的意义。但是天然的节理岩体采样十分困难，由于岩石风化程度不同、节理间软弱填充物性质不一等，导致室内试验的力学性质有较大差异，无法进行规律性研究。预制节理的方法主要有拉断法、喷砂法、浇筑法等。拉断法即使用巴西劈裂试验设备将完整岩石拉断，但难以控制节理的长度及倾角；喷砂法即将岩石锯开，经过不同喷砂粒径处理形成节理面，人为加工形成的节理面可能会对整个岩块强度造成影响；浇筑法即制作预定尺寸的模具，向其中浇筑混凝土，通过预埋薄钢片或云母片的方法形成节理。综上所述，考虑成本及方便等因素，本文采用浇筑法预制非贯通节理。国内外研究学者常用的浇筑材料有水泥砂浆、石膏等。本文试验采用水泥砂浆制作带有倾角的节理岩体，对试件在 RMT-301 岩石与混凝土力学实验系统进行直剪试验，探讨不同节理倾角在不同法向应力作用下的剪切力学特性。