D0:10.13374.issn1001-053x2012.03.001 第34卷第3期 北京科技大学学报 Vol.34 No.3 2012年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2012 充填节理破坏机理及实验 史 玲1,2) 蔡美峰2回赵坚) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 3)洛桑联邦理工学院，洛桑CH1015,瑞士 ☒通信作者，E-mail:caimeifeng(@usth.edu.cn 摘要充填节理的破坏主要有充填物破坏和充填物与节理接触面破坏两种形式，其抗剪强度与最小抗剪部分的强度相同. 当充填物破坏时，单独对充填物部分进行受力分析，得到此时的节理抗剪强度公式.讨论了充填节理强度随法向压应力及充 填厚度的变化规律：随着法向压应力的增加先增大后减小，但随充填厚度的变化并不十分明显.对不同厚度的砂浆充填节理 进行直剪试验。结果表明：其剪切强度与破坏模式有关：在同一破坏模式下，不同充填厚度的节理其剪切强度变化不大. 关键词充填节理：抗剪强度：充填物：复合模型：破坏模式 分类号TU443 Fracture mechanism and experiment of infilled rock joints SHI Ling':》,CAI Mei-feng.2□，ZHA0Jian》 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China 3)Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.Lausanne CH1015.Switzerland Corresponding author,E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT The failure of infilled rock joints can be divided into interface damage and filling damage,which one dominates depends on the stress conditions of the two parts.When the filling was damaged,its plane stress state was analyzed.A theoretical shear strength formula was obtained and the effects of normal stress and filling thickness were studied.With the increase of normal stress the shear strength of infilled rock joints increases first and then decreases,but the influence of filling thickness is not obvious.Some direct shear tests of infilled rock joints were also carried out.The results show that the shear strength is related to the failure modes of the joints, and under the same mode it is independent of filling thickness. KEY WORDS infilled rock joints;shear strength:fillers:composite models:failure modes 自然界中岩体的强度主要由岩块及节理结构面 模型回、Barton和Choubey的JRC一JCS模型同以及 控制，而这些节理通常被沙粒、软泥等填充，在某些 最近Grasselli和Egger的三维剪切模型0；而对于 诸如注浆、喷射混凝土工程操作中，节理也会被砂 充填节理，其强度主要取决于填充物的性质，相对于 浆、混凝土等高强度材料填充，这些填充物一定程度 未充填节理来说会增加或削减其剪切强度. 上改变了节理的强度 现有对充填节理的实验研究主要集中在充填物 对于节理剪切过程中剪力与剪切位移的关系， 为黏土、碎石的情况，以模拟自然界中天然节理的充 目前主要还是引入剪切刚度K,来描述，而对于节理填状态.因为这类充填材料的性质，所得的充填节 强度，主要还是探讨其最大剪切应力与压应力的关 理的抗剪强度远远低于未充填节理.例如， 系.未充填节理的代表理论模型有Patton的简单剪 Pereira的用沙子填充节理，指出剪切初期沙粒的滚 涨模型m、Ladanyi和Archambault的节理齿的磨损 动控制其强度，随着剪切中节理齿及充填物的磨损 收稿日期：2011-01-27第 34 卷 第 3 期 2012 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 3 Mar． 2012 充填节理破坏机理及实验 史 玲1，2) 蔡美峰1，2) 赵 坚3) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 洛桑联邦理工学院，洛桑 CH1015，瑞士 通信作者，E-mail: caimeifeng@ ustb． edu． cn 摘 要 充填节理的破坏主要有充填物破坏和充填物与节理接触面破坏两种形式，其抗剪强度与最小抗剪部分的强度相同． 当充填物破坏时，单独对充填物部分进行受力分析，得到此时的节理抗剪强度公式． 讨论了充填节理强度随法向压应力及充 填厚度的变化规律: 随着法向压应力的增加先增大后减小，但随充填厚度的变化并不十分明显． 对不同厚度的砂浆充填节理 进行直剪试验． 结果表明: 其剪切强度与破坏模式有关; 在同一破坏模式下，不同充填厚度的节理其剪切强度变化不大． 关键词 充填节理; 抗剪强度; 充填物; 复合模型; 破坏模式 分类号 TU443 Fracture mechanism and experiment of infilled rock joints SHI Ling1，2) ，CAI Mei-feng1，2) ，ZHAO Jian3) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines ( Ministry of Education of China) ，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China 3) Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne，Lausanne CH1015，Switzerland Corresponding author，E-mail: caimeifeng@ ustb． edu． cn ABSTRACT The failure of infilled rock joints can be divided into interface damage and filling damage，which one dominates depends on the stress conditions of the two parts． When the filling was damaged，its plane stress state was analyzed． A theoretical shear strength formula was obtained and the effects of normal stress and filling thickness were studied． With the increase of normal stress the shear strength of infilled rock joints increases first and then decreases，but the influence of filling thickness is not obvious． Some direct shear tests of infilled rock joints were also carried out． The results show that the shear strength is related to the failure modes of the joints， and under the same mode it is independent of filling thickness． KEY WORDS infilled rock joints; shear strength; fillers; composite models; failure modes 收稿日期: 2011--01--27 自然界中岩体的强度主要由岩块及节理结构面 控制，而这些节理通常被沙粒、软泥等填充，在某些 诸如注浆、喷射混凝土工程操作中，节理也会被砂 浆、混凝土等高强度材料填充，这些填充物一定程度 上改变了节理的强度． 对于节理剪切过程中剪力与剪切位移的关系， 目前主要还是引入剪切刚度 Ks来描述，而对于节理 强度，主要还是探讨其最大剪切应力与压应力的关 系． 未充填节理的代表理论模型有 Patton 的简单剪 涨模型［1］、Ladanyi 和 Archambault 的节理齿的磨损 模型［2］、Barton 和 Choubey 的 JRC--JCS 模型［3］以及 最近 Grasselli 和 Egger 的三维剪切模型［4］; 而对于 充填节理，其强度主要取决于填充物的性质，相对于 未充填节理来说会增加或削减其剪切强度． 现有对充填节理的实验研究主要集中在充填物 为黏土、碎石的情况，以模拟自然界中天然节理的充 填状态． 因为这类充填材料的性质，所得的充填节 理的 抗 剪 强 度 远 远 低 于 未 充 填 节 理． 例 如， Pereira ［5］用沙子填充节理，指出剪切初期沙粒的滚 动控制其强度，随着剪切中节理齿及充填物的磨损 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.001