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崔志猛 邓志颖 张丙武 余 灏 李 龙
(1.长安大学公路学院，西安 710064；
2.广州诚安路桥检测有限公司，广州 511431)
不同介质材料的力学性质存在差异，两相介质界面形成了力学上的薄弱环节，易产生沿界面方向的滑移和剪切破坏，进而引发工程事故。近年来，岩石异性结构面的广泛研究为节理岩体力学的发展提供了诸多重要理论和方法[1-5]。贺建明等较早对泥岩与灰岩组成的异性结构面开展了不同粗糙度、不同正应力下的剪切试验，提出了一种异性结构面抗剪强度准则[1]。有学者对岩石-混凝土接触界面的直剪模拟开展研究，分析两物体接触面的破坏过程及不同粗糙度对接触面整体剪切性能的影响[2-3]。
表面形貌是影响结构面剪切力学性能的重要指标之一。当法向应力一定时，结构面试件的剪切破坏方式取决于其表面形貌。结构面表面凸起体的“剪断效应”及凹陷区域的“充填效应”随粗糙度的增大变得更显著[6]。对于无填充物的异性结构面而言，接触界面形态同样是影响剪切力学特征的一个关键因素[7-8]。
上覆岩层厚度产生的法向荷载是影响结构面剪切强度和破坏特征的又一关键因素。方堃等发现壁岩组合和法向应力对异性层面剪切力学特性的影响相互作用，提出了异性层面与同性层面软岩抗剪强度之比与壁岩组合系数及法向应力之间的关系表达式[9]。张雅慧等研究发现异性岩体结构面抗剪强度在较低正应力下接近软岩同性结构面强度；
在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度，建立了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进Barton准则[10]。范祥等通过定义组合壁面强度和壁面强度比例系数提出的软-硬节理峰值剪切强度模型，克服了将壁面强度较低侧的力学参数作为软-硬节理计算参数这一常规做法的局限性[11]。
基于对上、下盘强度不等异性结构面剪切力学行为的研究，已经认识到其剪切强度和变形特性介于相同粗糙度的两种软、硬岩同性结构面之间。但上、下盘强度相近的异性结构面的剪切力学特性的研究成果还鲜见报道。事实上，工程实践中存在由强度相近岩石组合的异性结构面产生的滑移问题，这种情况下须要考虑材料刚度差异对异性结构面剪切力学性能的影响，一些学者的研究[12-14]发现：地震发生时，隧道围岩与衬砌会因存在刚度差异而产生不同程度的压剪变形[12-13]；
围岩-衬砌接触面两侧材料属性对其剪切力学性质和破坏机制的影响大于接触面粗糙度[14]，表明对上、下盘刚度相差较大的异性结构面开展直剪和循环剪切试验研究具有理论和现实意义。然而，以往关于异性结构面剪切力学特性的研究耦合了材料的强度和刚度的影响。因此，有必要选取刚度相差较大但强度相近的岩石材料组合成结构面进行直剪试验，仅分析刚度差异对不同粗糙度异性结构面在不同法向应力下剪切力学特征的影响。
参考相关研究[6,15]，采用4条标准剖面线表征异性结构面粗糙度，制作4种粗糙度的石膏-砂浆试样进行室内直剪试验，并开展数值模拟。由于两种介质的抗压强度相近，但抗变形能力相差较大，可用以研究上、下盘强度相近的异性结构面在不同法向应力和粗糙度下的剪切变形和强度特性。
1.1 试样制备
4种结构面的初始轮廓和粗糙度系数如表1所示。鉴于三维打印技术在土工试验中的有效应用[11,14,16]，利用绘图软件将4条Barton标准剖面线[17]绘出，建立结构面三维模型，通过三维打印获得树脂材料的结构面模板(图1a)；
绘制模具图形，制作一定规格的钢制模具。如图1b所示，将结构面树脂模板沿导槽插入钢制模具浇注试样并组装成型。
表1 Barton标准剖面线[17]Table 1 Standard Barton’s section lines[17]
a—结构面树脂模板；
b—浇筑用模具。图1 制样模具Fig.1 The mold for specimen preparation
选用快硬性模具石膏、普通硅酸盐水泥和河沙为原材料制作不同粗糙度结构面试块。图2a为制作成型的石膏试样，尺寸为150 mm×100 mm×75 mm，主要制作步骤为：将石膏粉与水以1∶1.2的质量比混合、搅拌、浇注、初凝后脱模。采用同样的尺寸制作水泥砂浆试块，主要制作步骤为：将水泥和砂子以1∶5的质量比干拌，再注入与水泥等质量的水，将混合物搅拌、浇注、带模养护、脱模。同时，按照两种配比制作100 mm×50 mm的标准圆柱体试样。将制得的石膏试块和水泥砂浆试块按标准条件养护28 d。如图2b所示，将养护完成后的同种粗糙系数石膏试块和水泥砂浆试块组合得到4种粗糙系数的异性结构面试样(GM)，试样编号与粗糙系数的对应关系如表1所示。在进行直剪试验前，对两种标准圆柱体试样开展单轴压缩试验，获得两种类岩材料的基本力学参数如表2所示。
a—石膏或水泥砂浆试样；
b—石膏-水泥砂浆异性结构面试样，mm。图2 异性结构面组合Fig.2 Combinations of specimens with anisotropic structural surfaces
表2 材料基本力学参数Table 2 Basic mechanical indexes of materials
1.2 直剪试验
利用直剪试验机对GM异性结构面试样进行直剪试验，加载方向从左向右。考虑到石膏在较高法向应力下可能发生破坏，影响直剪试验结果，而法向应力宜按等间距梯度取值，结合表2中石膏试样的单轴抗压强度值，最终每种粗糙系数结构面试样均在0.3，0.5，0.7 MPa三种低法向应力下进行直剪试验，施加剪切位移的速率为0.15 mm/min。
1.3 离散元模型及参数
利用离散元软件PFC2D建立相对应的数值模型(NGM)模拟GM结构面的直剪破坏特征。NGM中颗粒之间的接触采用平行黏结模型(PBM)，基于表2中的材料基本力学参数对NGM试样进行细观参数标定，标定结果如表3所示。
表3 平行黏结模型细观参数Table 3 Micro-parameters of PBM
根据表3中的细观参数，建立如图3a所示的数值模型，青色代表石膏，绿色代表砂浆，两者接触面采用光滑节理模型(SJM)，SJM细观参数见表4。如图3b所示，对NGM在水平向和竖直向均进行伺服控制，达到伺服平衡后，卸除水平向伺服应力，保持法向应力，施加0.25×10-3m/s的水平速度，NGM采用同室内剪切试验的3种法向应力，结构面剪切方向与室内直剪试验一致。
图3 异性结构面试样数值模型及加载方式Fig.3 The numerical model of specimens with anisotropic structural surfaces and the loading patterns
表4 光滑节理模型细观参数Table 4 Micro-parameters of SJM
2.1 不同法向应力下的剪切应力-位移曲线
对比4类异性结构面试样在3种不同法向应力下的剪切应力-位移曲线(图4),可以看出主要有两种形式：1)剪切变形曲线在初始阶段呈上凹型，随剪切位移的增长，剪切应力增长变快，但未出现明显的峰值剪切强度和屈服阶段，最终表现出稳定的剪切强度(图4a，4b)。这是由于在剪切作用下，结构面上方石膏的变形不断累积，在到达峰值强度时局部区域已经出现明显破坏，故剪切强度不会随剪切变形增长显著降低。2)随着剪切变形的产生，剪切应力上升较快，近似呈线性增长，在峰值前增长变缓；
峰后剪切表现为沿着结构面滑移的软化过程(图4c，4d)。这种软化现象可以解释为试件局部凸起体发生压剪碎裂，使试件剪切刚度骤减，最后剪切进入沿结构面滑移的软化阶段[18]。
a—粗糙系数为6.7；
b—粗糙系数为10.8；
c—粗糙系数为 14.5；
d—粗糙系数为18.7。—0.3 MPa；
—0.5 MPa；
—0.7 MPa。图4 不同法向应力下的剪切应力-位移曲线Fig.4 Curves between shear stress and displacement of specimens under different normal stress
2.2 不同粗糙系数的剪切应力-位移曲线
为进一步分析异性结构面粗糙度对其剪切变形特性的影响，分别对比3种法向应力下4类粗糙系数异性结构面的剪切应力-位移曲线如图5所示。在法向应力为0.3 MPa时(图5a)，4类粗糙系数异性结构面的剪切应力-位移曲线在残余变形阶段出现不同程度的波动，且粗糙系数值小的结构面波动较大。随着法向应力的增长，剪切应力-位移曲线在峰值后的波动消失(图5b，5c)。低粗糙系数异性结构面的剪切应力-位移曲线到达峰值后即进入残余变形阶段，而较高粗糙系数异性结构面的剪切应力-位移曲线存在明显的软化阶段。
出现这种现象可能的原因是：低粗糙系数异性结构面的表面相对平缓，微凸体过小且较分散，在低法向应力下发生多次爬坡，故剪切应力-位移曲线在峰后反复波动。当法向应力增大，粗糙系数小的异性结构面表面起伏较小，大量的微凸体被压碎，异性结构面上盘在剪切应力作用下仅克服摩擦滑动，故剪切应力随剪切变形的增长最终保持稳定，表现为残余剪切强度；
粗糙系数大的异性结构面表面起伏较大，爬坡模式减弱，啃断模式增强，所以剪切曲线在峰后表现为沿结构面滑移的软化现象。
a—法向应力为0.3 MPa；
b—法向应力为0.5 MPa；
c—法向应力为0.7 MPa。—粗糙系数为6.7；
—粗糙系数为10.8；
—粗糙系数为14.5；
—粗糙系数为18.7。图5 不同粗糙系数下的剪切应力-位移曲线Fig.5 Curves between shear stress and displacement of specimens in different joint roughness coefficients
2.3 峰值剪切强度
在岩体结构面剪切力学中，抗剪强度是衡量结构面抗剪切能力的重要指标之一。为了分析粗糙系数和法向应力对强度相近异性结构面抗剪强度的影响，基于GM试样的室内直剪试验结果，拟合出4种不同粗糙系数异性结构面在3种法向应力下抗剪强度的线性关系(图6)。
粗糙系数为6.7；
粗糙系数为10.8；
粗糙系数为14.5；
粗糙系数为18.7。图6 GM结构面峰值剪切强度与法向应力拟合曲线Fig.6 Fitting curves between shear strength and normal stress of specimens with GM structural surfaces
从图6可见：同种粗糙系数异性结构面的抗剪强度均随法向应力的增大而增大，4条拟合曲线从缓到陡粗糙系数依次为6.7、10.8、14.5、18.7，表明抗剪强度随法向应力增长快慢与粗糙系数正相关。相同法向应力下，异性结构面的抗剪强度随粗糙系数增大而增大；
上、下点的剪切应力之差Δτp随法向应力增大不断增大，即Δτp的增长速率与法向应力正相关，表明两种粗糙系数异性结构面的抗剪强度随法向应力的增大相差越来越大。事实上，在法向应力较小时，低粗糙系数异性结构面的上盘在剪切应力作用下沿下盘表面的微凸体发生爬坡；
粗糙系数的增大使异性结构面表面的微凸体演化成凸台，当法向应力增大，异性结构面上盘沿微凸体爬坡的模式减弱，剪切应力和法向应力的复合作用使凸台被剪断或拉破坏，甚至沿根部被剪断[19]，故需要消耗更大的剪切应力，而异性结构面的粗糙系数越大，凸台数量多且起伏度大，故剪切强度随法向应力、粗糙系数的增大而快速增大。
3.1 剪切破坏特征
为研究强度相近异性结构面的剪切特征，在数值模拟中通过程序控制输出不同粗糙度结构面模型的渐进性剪切破坏过程的图片(表5)，其中红色区域代表微裂纹，由于篇幅受限，仅以粗糙系数为6.7、10.8的NGM结构面为例进行说明。在不同法向应力下，2种NGM结构面刚度较低的石膏盘均率先开裂，随剪切位移增大，刚度高的砂浆盘出现微裂纹，导致微裂纹数迅速增加，之后增长变缓。对同种粗糙系数结构面，不同破坏阶段的微裂纹数随法向应力的增大而增大。剪切位移增大伴随着剪胀的发生，在剪切后期，微裂纹发育趋于饱和，结构面的上、下盘出现明显间隙。
表5 GM结构面渐进性剪切破坏过程Table 5 Progressive shear failure processes for specimens of NGM-1 and NGM-2
3.2 粗糙系数和法向应力对结构面剪切破坏的影响
不同粗糙系数和法向应力下4种NGM结构面的剪切破坏结果如表6所示，由于篇幅受限，仅列举了在0.5 MPa下直剪破坏后的结构面形貌。不难发现：NGM结构面的破坏程度及破坏范围受粗糙系数影响显著；
当粗糙系数较小时(NGM-1)，结构面的破坏程度较小，破坏位置相对分散，表明低起伏度异性结构面在剪切过程中受力较均匀；
随粗糙系数和法向应力增大，破坏程度相对增大，但破坏位置在结构面上较集中，出现在沿剪切方向爬坡处(NGM-2和NGM-3)。当粗糙系数达到最大时(NGM-4)，破坏程度达到最大，沿结构面轮廓线均有破坏，且起伏度大的位置破坏较严重，上盘相对下盘发生较明显的法向位移，这可能是因为大粗糙系数结构面表面粗糙情况复杂，剪切过程中切齿现象几乎遍布结构面。
表6 GM结构面剪切破坏模式Table 6 Shear failure modes for specimens with GM structural surfaces
从表6还可以看出：直剪试验后，结构面上盘出现明显破损，仅高粗糙系数的下盘出现轻微剥落；
下盘表面的凹槽因结构面起伏差异残留了不同程度的石膏碎屑；
随着粗糙系数的增大，残留面积和深度也逐渐增加，表明强度相近的异性结构面在直剪过程中主要在刚度较低侧发生破坏；
随着法向应力的增大，4种NGM结构面的破坏范围均增加，NGM-1和NGM-4的破坏程度也相应增大，微裂纹由结构面表面往上、下盘纵深发展，这是因为较高法向荷载下，结构面损伤程度较大，在上、下盘形成损伤裂纹。
3.3 剪切破坏模式
如表6所示，直剪试验和数值模拟下4种异性结构面的形貌变化相似。低粗糙系数结构面的表面相对平缓，微凸体过小而零散，因此NGM-1的破坏程度较小，破坏位置在结构面上相对分散，最终发生爬坡破坏。中等粗糙系数结构面表面起伏大，但微凸体数量少，模型在剪切作用下出现较为明显的剪胀现象，结构面沿剪切方向表现出爬坡和啃断交替作用，这就可以解释破坏仅发生在结构面上有限位置，集中出现在沿剪切方向爬坡处；
NGM-2和NGM-3的破坏程度相对NGM-1增加，最终发生爬坡-啃断破坏。高粗糙系数结构面表面的微凸体转化为凸台，且数量较多，结构面上、下盘的吻合度较高，因此在剪切力和法向荷载的复合作用下，结构面沿剪切方向表现为沿根部啃断，NGM-4出现全结构面啃断现象和局部损伤裂纹，最终发生啃断破坏。
1)4种粗糙度强度相近异性结构面试样的剪切应力-位移曲线主要分为两类。与上、下盘强度相差较大的异性结构面类似，强度相近异性结构面的剪切变形和峰值剪切强度受结构面粗糙度和法向应力的双重影响。低粗糙系数的异性结构面在低法向应力下的剪切应力-位移曲线在峰后具有小幅波动，但曲线波动随法向应力、粗糙系数增大前逐渐消失。
2)粗糙系数一定时，强度相近异性结构面的剪切应力增长速度与法向应力正相关；
同法向应力下，高粗糙系数强度相近的异性结构面的剪切应力增长得快。与强度相差较大的异性结构面类似，粗糙系数越大，法向应力越高，强度相近异性结构面的峰值剪切强度越大。
3)强度相近的异性结构面的破坏主要发生在刚度较低侧。随粗糙系数增大，4种强度相近的异性结构面的破坏范围和破坏模式有明显变化，先后经历了爬坡破坏、爬坡-啃断破坏、啃断破坏。随法向应力增大，强度相近异性结构面的破坏范围相应增大，破坏程度也相应增大。
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