第3期 史玲等：充填节理破坏机理及实验 ·257· 1.2.3复合节理模型 状态，但未超过使其摩擦运动时所需的最大剪应力 由1.1节和1.2节分析可知，当充填物达到一 状态，故此时还是沿与节理接触部分破坏，同时充填 定厚度时，其节理抗剪强度要么取决于充填物与节 层被剪断：CDE段，节理沿充填层破坏后的断面剪 理接触部分，要么取决于充填物部分，其抗剪强度与 切破坏.此时充填节理的强度公式可写成分段 复合面中最小抗剪面的强度相同，且存在不同的组 形式： 合若将各部分强度曲线绘于r-σ坐标系上，并假 [T=C;+0tan中：，0<Ucai 设接触部分黏着力比充填物本身强度低，则充填节 (11) lT=T.+gtanΦ.，>0r 理的抗剪强度可以用图6圆点折线所示 2试验研究 t=c+otan 对于充填厚度小于节理齿的情况，已有大量的 =r +otan 试验来进行论证，其强度由充填物与节理面共同控 制.当充填厚度略大于节理齿高度时，主要由充填 ID 物控制.而且对于天然节理，其节理齿起伏差一般 不会太大，充填物大都略厚.根据上述理论分析及 假设，本文主要针对具有一定充填厚度的节理进行 剪切试验研究，所选用充填物为脆性材料水泥砂浆. 图6复合节理强度曲线 2.1试验材料及基本步骤 Fig.6 Shear stress vs.normal stress curve for the composite 由上述分析可知，节理自身强度及粗糙度对充 model of infilled rock joints 填节理的强度影响很大.为了避免节理材料及表面 图6中：σ。表示充填材料抗压强度，当所施加 几何性质的影响，试验采用同一人造天然节理，其步 压应力大于σ。时，充填层被破坏压碎：虚线ABC表 骤为根据某自然节理压制两面模具，用比较细小的 示接触面抗剪强度线，单点线表示充填部分破坏时 混凝土充填模具，得到上下两块相对应的剪切试件， 其黏着力T。与压应力的关系曲线，实曲线CDE表 试验装置与模具如图7所示.制作节理所用混凝土 示充填层抗剪强度线。 为masterflow928,其28d后单轴抗压强度约为 在AB段，充填节理沿与节理面接触部分破坏， 50MPa,节理面尺寸为140mm×140mm,节理齿平 充填层部分无影响：BC段，充填层受力达到其破坏 均高度约为1mm. 图7直剪试验装置.(a)直剪试验仪器：(b)节理模具盒（中间为橡胶材料的节理拓印部件，左右两面相对应）：()人造节理试件 Fig.7 Experimental facilities of direct shear test:(a)experimental apparatus:(b)model box for artificial rock joints:(c)artificial rock joint sample 所用充填材料为水泥砂浆，其中细沙（最大颗 试验所施加法向压力分别为1、10、20和40kN, 粒直径0.5mm)、水泥(Holeim CEM I52.5)和水的 剪切过程为缓慢直剪，位移控制，约1mm*min1 混合质量比为2：1：0.65.经测定充填材料密度 2.2试验结果及讨论 2.1tm-3,7d单轴抗压强度约35MPa.充填厚度 各厚度充填层破坏情况有如表1所示.试件充 分别为0、1、5和10mm.充填7d后，在不破坏夹层 填夹层的破坏情况如图8所示，亮色部分为磨损所 黏结强度的条件下，将上下两块试件整体放入剪切 致，黑色箭头表示剪切方向 盒中进行直剪试验. 由图8可知，对于真实节理，由于粗糙度不均第 3 期 史 玲等: 充填节理破坏机理及实验 1. 2. 3 复合节理模型 由 1. 1 节和 1. 2 节分析可知，当充填物达到一 定厚度时，其节理抗剪强度要么取决于充填物与节 理接触部分，要么取决于充填物部分，其抗剪强度与 复合面中最小抗剪面的强度相同，且存在不同的组 合． 若将各部分强度曲线绘于 τ － σ 坐标系上，并假 设接触部分黏着力比充填物本身强度低，则充填节 理的抗剪强度可以用图 6 圆点折线所示． 图 6 复合节理强度曲线 Fig． 6 Shear stress vs． normal stress curve for the composite model of infilled rock joints 图 6 中: σc 表示充填材料抗压强度，当所施加 压应力大于 σc 时，充填层被破坏压碎; 虚线 ABC 表 示接触面抗剪强度线，单点线表示充填部分破坏时 其黏着力 τa 与压应力的关系曲线，实曲线 CDE 表 示充填层抗剪强度线． 在 AB 段，充填节理沿与节理面接触部分破坏， 充填层部分无影响; BC 段，充填层受力达到其破坏 状态，但未超过使其摩擦运动时所需的最大剪应力 状态，故此时还是沿与节理接触部分破坏，同时充填 层被剪断; CDE 段，节理沿充填层破坏后的断面剪 切破 坏． 此时充填节理的强度公式可写成分段 形式: τ = ci + σtani，σ ＜ σcr; τ = τa + σtana，σ ＞ σcr { ． ( 11) 2 试验研究 对于充填厚度小于节理齿的情况，已有大量的 试验来进行论证，其强度由充填物与节理面共同控 制． 当充填厚度略大于节理齿高度时，主要由充填 物控制． 而且对于天然节理，其节理齿起伏差一般 不会太大，充填物大都略厚． 根据上述理论分析及 假设，本文主要针对具有一定充填厚度的节理进行 剪切试验研究，所选用充填物为脆性材料水泥砂浆． 2. 1 试验材料及基本步骤 由上述分析可知，节理自身强度及粗糙度对充 填节理的强度影响很大． 为了避免节理材料及表面 几何性质的影响，试验采用同一人造天然节理，其步 骤为根据某自然节理压制两面模具，用比较细小的 混凝土充填模具，得到上下两块相对应的剪切试件， 试验装置与模具如图 7 所示． 制作节理所用混凝土 为 masterflow 928，其 28 d 后单轴抗压强度约为 50 MPa，节理面尺寸为 140 mm × 140 mm，节理齿平 均高度约为 1 mm． 图7 直剪试验装置. ( a) 直剪试验仪器; ( b) 节理模具盒( 中间为橡胶材料的节理拓印部件，左右两面相对应) ; ( c) 人造节理试件 Fig． 7 Experimental facilities of direct shear test: ( a) experimental apparatus; ( b) model box for artificial rock joints; ( c) artificial rock joint sample 所用充填材料为水泥砂浆，其中细沙( 最大颗 粒直径 0. 5 mm) 、水泥( Holcim CEM I 52. 5) 和水的 混合质量比为 2 ∶ 1 ∶ 0. 65． 经测定充填 材 料 密 度 2. 1 t·m － 3 ，7 d 单轴抗压强度约 35 MPa． 充填厚度 分别为 0、1、5 和 10 mm． 充填 7 d 后，在不破坏夹层 黏结强度的条件下，将上下两块试件整体放入剪切 盒中进行直剪试验． 试验所施加法向压力分别为 1、10、20 和 40 kN， 剪切过程为缓慢直剪，位移控制，约 1 mm·min － 1 ． 2. 2 试验结果及讨论 各厚度充填层破坏情况有如表 1 所示． 试件充 填夹层的破坏情况如图 8 所示，亮色部分为磨损所 致，黑色箭头表示剪切方向． 由图 8 可知，对于真实节理，由于粗糙度不均 ·257·