不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

第25卷 第12期

岩石力学与工程学报 V ol.25 No.12

2006年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2006

收稿日期：2005–12–21；修回日期：2006–03–06

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50439030)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705)

作者简介：李海波(1969–)，男，博士，1988年毕业于郑州工学院水工专业，现任研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail ：hbli@

不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

李海波，冯海鹏，刘 博

(中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

摘要：不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数，通过RMT –150C 电伺服试验机，利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现：(1) 岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小，减小幅度随着剪切速率的增大变小；(2) 岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大；(3) 岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大，基本成线性关系。最后，基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。

关键词：岩石力学；岩石节理；剪切速率；起伏角度；峰值剪切强度

中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)12–2435–06

STUDY ON STRENGTH BEHA VIORS OF ROCK JOINTS UNDER

DIFFERENT SHEARING DEFORMATION VELOCITIES

LI Haibo ，FENG Haipeng ，LIU Bo

(Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China )

Abstract ：Strength of rock joints under different shear deformation velocities is the basic information to assess the response and safety of rock structures under earthquake. By using the RMT –150C servo-test system ，artificial concrete joint samples with hammered surfaces have been employed to study the strength of rock joints under different shearing velocities. Based on the experimental results ，it can be found that the peak shear strength decreases with the increase of shear deformation velocity ；and that the decreasing rates decrease with the increment of shearing deformation velocity. It is also indicated that the peak shear strength of rock joints clearly increases with the increase of normal stress and undulation angles at different shear deformation velocities. Based on the experimental results ，a model to describe the peak strength of rock joints with shear deformation velocity and undulation angle is presented.

Key words ：rock mechanics ；rock joints ；shearing deformation velocity ；undulation angle ；peak shear strength

1 引 言

岩石节理的强度和变形特征是分析地震荷载作用下岩体边坡及硐室安全和响应的基本参数。从荷载特征上看，地震既是动荷载又是往复荷载，因此，

在地震荷载作用下，岩石节理的强度和变形等力学特性一方面受往复荷载的影响，另一方面也受荷载速率影响。基于这一认识，国内外研究人员进行了一些探讨性的工作，主要集中在往复循环荷载作用下岩石节理力学特性的研究方面。J. C. Jaeger [1]和M. E. Plesha [2]等对新鲜岩石节理面进行循环剪切试验。

·2436·岩石力学与工程学报 2006年

试验结果表明，第1次剪切试验时，试样具有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第7次剪切试验时，试样还保留峰值强度和残余强度的区别，当进行到第15次时，已看不出明显的峰值和残余值。L. Jing等[3]用复制的天然岩石节理试样进行一系列的循环剪切试验。试验结果表明，随着剪切变形的积累，岩石节理表面的粗糙度明显降低，岩石节理的强度下降。H. S. Lee等[4]用花岗岩和大理石试样做大量循环剪切试验，引入激光表面轮廓曲线仪来量测试样的表面形态，并研究加载过程中岩石节理的峰值剪切强度、非线性膨胀等问题，并基于试验结果提出一个考虑“二阶粗糙度”的弹塑性本构模型，类似地，还有D. J. Fox等[5～9]的工作。在不同剪切变形速率情况下岩石节理力学特性的研究方面，相关研究工作比较少，M. K. Jafari[10]在人工岩石节理上进行剪切变形速率为0.0～0.4 mm/s的试验。试验结果表明，随着剪切变形速率的增加，试样的峰值剪切强度有较明显的减小趋势，并提出考虑剪切速率的岩石节理强度特征的经验公式。

本文应用混凝土模拟试样，进行不同剪切速率、岩石节理起伏角度及法向应力情况下岩石节理的强度特性试验，分析岩石节理的强度特征与剪切变形速率、起伏角度及法向应力之间的关系。结合试验结果及L. Jing等[3]的峰值强度理论，提出考虑剪切变形速率和起伏角度的岩石节理剪切强度模型。

2 试验设备与试样制备

试验在RMT–150C数控式电伺服试验机上进行，该系统主要性能指标如下：垂直液压缸最大出力：1 000 kN；活塞行程：50 mm(1 000和100 kN 两级)；水平液压缸最大出力：500 kN；活塞行程：50 mm(500和100 kN两级)；变形速率：(1.0×10－4～1.0) mm/s；加载速率：(1.0×10－2～1.0×102) kN/s。

由于天然岩石节理取样困难及表面粗糙度难以界定等问题，目前对岩石节理的室内试验研究所采用的试样基本上都是人工岩石节理，多采用混凝土浇注而成。本文试验所采用的试样也为混凝土岩石节理试样，采用32.5R的快硬水泥，水灰比取0.4，养护后试样的单轴抗压强度达到20～25 MPa。试样浇注过程中在标准混凝土模具底部垫上不同锯齿状的钢模，以形成不同起伏角度的岩石节理面。图1为试验用的钢模，其尺寸与浇注混凝土的模具尺寸相同，模具锯齿角度分别为15°，30°，45°，厚度为10 mm。浇注过程中，上下两部分岩石节理试样分开进行浇注并进行养护，养护时间为28 d。图2为典型混凝土岩石节理试样图，试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，节理起伏角度α分别为15°，30°，45°。

3 试验结果及分析

试验中，剪切变形速率分别为0.02，0.10，0.40和0.80 mm/s，法向应力分别为1，2和3 MPa，岩石节理试样的起伏角度分别为15°，30°，45°。表1为不同情况下试样峰值剪切强度试验结果；图3为代表性试样的剪应力–剪切位移关系曲线。

试验结果表明，试样的峰值剪切强度随着剪切

(a) 几何示意图

(b) 试验模具

图1 钢模(单位：mm) Fig.1 Joint modules(unit：mm)