·254· 北京科技大学学报 第34卷 产生的微细粉末影响了沙粒的滚动，滑动占主导地 中ab为充填物与节理面接触部分破坏线，c-d为 位.Papaliangas等因，Indraratna等m进行了一系列 充填物破坏线.无论哪种破坏模式，节理面强度主 黏土充填节理的剪切试验，发现对于固定节理存在 要取决于充填物性质，而且随着剪切的进行，充填物 一个充填临界厚度，当充填厚度大于临界厚度的时 有时会以塑性流动方式挤出四.本文只讨论充填节 候，最大剪切应力与压应力的比值趋于一个定值，而 理的最大抗剪强度，即充填节理破坏时的强度 残余剪切应力所受影响不大.Barton等图通过实验 根据其破坏模式，将充填节理模型看成由两部 提出了类似于JRC一JCS模型的充填物控制R-S模 分组成，即充填物与节理面的接触部分和充填部分， 型及接触面控制的JRCS模型. 充填节理抗剪强度由这两部分共同控制，如图1 针对具有一定充填厚度的节理，本文试图对充 所示 填节理的最大抗剪强度进行分析，根据其剪切破坏 接触部分 模式提出接触面控制模型与充填物控制模型共同作 用的复合节理模型，并通过实验室试验进行验证 充填部分 1理论分析 1.1充填厚度小于节理齿平均厚度 当充填厚度小于节理齿平均厚度时，随着充填 图1充填节理剪切示意图.()充填节理不同破环模式示意图： 厚度的变化，其节理面力学性能也发生一些变化 (b)简化的复合充填节理模型 不少学者对其进行过研究，并得出了随着充填厚度 Fig.1 Shearing modes of infilled joints:(a)different failure modes of 的变化，其黏着力和摩擦因数的变化关系.孙广 infilled rock joints:(b)simplified composite model of infilled rock joints 忠回曾对两种不同物理性质的软弱充填物淋滤淀 积黏土与溶蚀残积黏土进行了剪切试验，发现两种 1.2.1接触部分强度分析 充填节理所呈现的力学效应规律相同，但由于充填 当充填节理沿充填物与节理面接触部分破坏 物的物理性质不同，所呈现的力学效应不同，即变化 时，假设其节理强度主要由接触部分决定.仍沿用 趋势相同，但拟合曲线不同.这主要是因为当充填 经典的节理强度公式，可表示为 厚度小于节理齿厚度时，剪切破坏后，充填物几乎全 Tp=ci+otand; (1) 部磨损破坏，其组成成分对节理强度的影响很大，如 式中，T。为最大剪切应力，σ为节理法向压应力，c 滑石、绿泥石等黏土质充填物会大大降低节理面强 和中，分别为接触面黏着力和摩擦角 度，特别含有水分的情况下更为显著：而沙石碎屑等 1.2.2充填层材料强度分析 角砾状充填物，随着碎屑成分的增加，节理面强度反 当节理沿充填物破坏时，其抗剪强度虽可以沿 而增大 用式(1)的形式，但此时若要确保充填物破坏，充填 对于原节理粗糙度的影响，徐磊等0应用数值 层的受力至少要满足其破坏强度时的状态.本文认 直剪试验方法，研究了充填度与岩石分形充填节理 为此时充填层的破坏强度体现了节理黏着力的大 抗剪强度之间的关系：当充填度小于1时，充填节理 小，而摩擦角则属于充填层破坏后形成的新节理的 抗剪强度主要受节理表面形态、充填物力学性质以 强度参数，与充填材料成分有关.因此，节理的抗剪 及壁岩力学性质的共同影响；当充填度大于1时， 强度可写为 节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制，其强 T =T,otand (2) 度参数接近于节理充填物的强度参数 式中：T.为夹层破坏时所需的剪切应力，它与充填 因此，当充填厚度小于节理齿平均厚度时，其节 物所受的应力状态有关；中。为充填物破坏所形成节 理强度不能用一个单一的模型来描述，针对不同的 理的摩擦角。 充填物质通过实验来确定其强度值变化规律更具有 将充填层部分单独拿出进行受力分析，就可以 说服力. 确定其在剪切过程中的受力状态.假设材料在弹性 1.2充填厚度大于节理齿平均厚度 状态达到屈服后即破坏，不考虑其塑性部分，尤其对 当充填物厚度达到一定程度时，节理在剪切后 于脆性材料，破坏后即形成断裂节理，因此确定T。 充填物的破坏出现两种形式仞，即充填物与节理面 值只考虑弹性破坏即可.本文采用摩尔库伦破坏准 接触部分破坏及充填物破坏，如图1所示.图1(a) 则进行分析北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 产生的微细粉末影响了沙粒的滚动，滑动占主导地 位． Papaliangas 等［6］，Indraratna 等［7］进行了一系列 黏土充填节理的剪切试验，发现对于固定节理存在 一个充填临界厚度，当充填厚度大于临界厚度的时 候，最大剪切应力与压应力的比值趋于一个定值，而 残余剪切应力所受影响不大． Barton 等［8］通过实验 提出了类似于 JRC--JCS 模型的充填物控制 R--S 模 型及接触面控制的 JRC--S 模型． 针对具有一定充填厚度的节理，本文试图对充 填节理的最大抗剪强度进行分析，根据其剪切破坏 模式提出接触面控制模型与充填物控制模型共同作 用的复合节理模型，并通过实验室试验进行验证． 1 理论分析 1. 1 充填厚度小于节理齿平均厚度 当充填厚度小于节理齿平均厚度时，随着充填 厚度的变化，其节理面力学性能也发生一些变化． 不少学者对其进行过研究，并得出了随着充填厚度 的变化，其黏着力和摩擦因数的变化关系． 孙广 忠［9］曾对两种不同物理性质的软弱充填物淋滤淀 积黏土与溶蚀残积黏土进行了剪切试验，发现两种 充填节理所呈现的力学效应规律相同，但由于充填 物的物理性质不同，所呈现的力学效应不同，即变化 趋势相同，但拟合曲线不同． 这主要是因为当充填 厚度小于节理齿厚度时，剪切破坏后，充填物几乎全 部磨损破坏，其组成成分对节理强度的影响很大，如 滑石、绿泥石等黏土质充填物会大大降低节理面强 度，特别含有水分的情况下更为显著; 而沙石碎屑等 角砾状充填物，随着碎屑成分的增加，节理面强度反 而增大． 对于原节理粗糙度的影响，徐磊等［10］应用数值 直剪试验方法，研究了充填度与岩石分形充填节理 抗剪强度之间的关系: 当充填度小于 1 时，充填节理 抗剪强度主要受节理表面形态、充填物力学性质以 及壁岩力学性质的共同影响; 当充填度大于 1 时， 节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制，其强 度参数接近于节理充填物的强度参数． 因此，当充填厚度小于节理齿平均厚度时，其节 理强度不能用一个单一的模型来描述，针对不同的 充填物质通过实验来确定其强度值变化规律更具有 说服力． 1. 2 充填厚度大于节理齿平均厚度 当充填物厚度达到一定程度时，节理在剪切后 充填物的破坏出现两种形式［7］，即充填物与节理面 接触部分破坏及充填物破坏，如图 1 所示． 图 1( a) 中 a--b 为充填物与节理面接触部分破坏线，c--d 为 充填物破坏线． 无论哪种破坏模式，节理面强度主 要取决于充填物性质，而且随着剪切的进行，充填物 有时会以塑性流动方式挤出［9］． 本文只讨论充填节 理的最大抗剪强度，即充填节理破坏时的强度． 根据其破坏模式，将充填节理模型看成由两部 分组成，即充填物与节理面的接触部分和充填部分， 充填节理抗剪强度由这两部分共同控制，如图 1 所示． 图 1 充填节理剪切示意图． ( a) 充填节理不同破坏模式示意图; ( b) 简化的复合充填节理模型 Fig． 1 Shearing modes of infilled joints: ( a) different failure modes of infilled rock joints; ( b) simplified composite model of infilled rock joints 1. 2. 1 接触部分强度分析 当充填节理沿充填物与节理面接触部分破坏 时，假设其节理强度主要由接触部分决定． 仍沿用 经典的节理强度公式，可表示为 τp = ci + σtani ． ( 1) 式中，τp 为最大剪切应力，σ 为节理法向压应力，ci 和 i 分别为接触面黏着力和摩擦角． 1. 2. 2 充填层材料强度分析 当节理沿充填物破坏时，其抗剪强度虽可以沿 用式( 1) 的形式，但此时若要确保充填物破坏，充填 层的受力至少要满足其破坏强度时的状态． 本文认 为此时充填层的破坏强度体现了节理黏着力的大 小，而摩擦角则属于充填层破坏后形成的新节理的 强度参数，与充填材料成分有关． 因此，节理的抗剪 强度可写为 τ = τa + σtana ． ( 2) 式中: τa 为夹层破坏时所需的剪切应力，它与充填 物所受的应力状态有关; a 为充填物破坏所形成节 理的摩擦角． 将充填层部分单独拿出进行受力分析，就可以 确定其在剪切过程中的受力状态． 假设材料在弹性 状态达到屈服后即破坏，不考虑其塑性部分，尤其对 于脆性材料，破坏后即形成断裂节理，因此确定 τa 值只考虑弹性破坏即可． 本文采用摩尔库伦破坏准 则进行分析． ·254·