节理峰值抗剪强度试验研究
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(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072， China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering，Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan，
was shown that the new criterion had some advantages in predicting the peak shear strength for rock joints. Key words：rock mechanics；joint；peak shear strength；direct shear test；3D morphology
三维形貌参数最大有效剪切倾角
θ* max
和粗糙度参数
C，建立节理峰值抗剪强度模型。最后，引用
Grasselli
的
30
组
直剪试验数据对模型进行验证计算，并结合本文的 20 组试验数据，与 Grasselli 和夏才初的节理强度模型进行对比
分析，结果表明新模型有合理的改进，而且能够很好地预测节理的峰值抗剪强度。
(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072； 3. 中国电建集团 中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)
摘要：节理的三维形貌特征是影响节理剪切力学行为的重要因素。为了深入研究三维形貌特征对岩石节理峰值抗
以上抗剪强度模型的提出，使无充填节理抗剪 强度的力学机制被揭示得越来越明确。其中，Barton 模型因其形式简单且在一定程度上能够反映不规则 节理面的粗糙度，成为目前应用最为广泛的节理峰 值抗剪强度模型。N. Barton 和 V. Choubey[4]通过在 公式中引入节理粗糙度系数(JRC)来表征整个节理 面粗糙程度对抗剪强度的贡献，JRC 值通过直剪试 验反算确定或者根据与 10 条标准 JRC 曲线比较确 定。显然，根据直剪试验反算确定的 JRC 能够反映 整个节理面的粗糙程度，然而实际工程应用中，只
JRC 值与实际值存在一定偏差。基于上述原因，N.
Turk 等[13-15]和 R. Tse 等[16-17]分别提出了利用分形参
数和统计参数来定量计算 JRC 值。这些方法虽然在
数学上有很好的计算精度，但通过单一的轮廓线计
算的 JRC 值与实际节理面粗糙度系数有一定偏差。 C. C. Xia 等[18]在同一节理表面沿着剪切方向隔一定
在三维形貌准确测量的基础上，T. Belem 等[21-22]
定义了 5 个形貌参数来描述三维节理面的起伏高
度、坡度、波形、各向异性、表面曲率，并根据剪
切过程中特征参数的演化，建立了相应的考虑三维
形貌参数的节理峰值抗剪强度模型。由于 Belem 参
数是单纯的从节理面几何特征提出的，与节理面的
剪切力学机制关系不清楚，其建立的经验模型还与
further verify the proposed criterion. A comparison among the new criterion，Grasselli′s criterion and Xia′s
criterion was made regarding the rationality of the formula and the prediction accuracy with 50 groups of joints. It
关键词：岩石力学；节理；峰值抗剪强度；直剪试验；三维形貌
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2015)05–0884–11
EXPERIMENTAL STUDY OF PEAK SHEAR STRENGTH OF ROCK JOINTS
YANG Jie1，2，RONG Guan1，2，CHENG Long1，2，HOU Di1，2，WANG Xiaojiang3
能预估 JRC 值来预测节理的峰值抗剪强度，因此这
种方法在实际应用中价值相对有限。为预估节理的
峰值抗剪强度，JRC 值的选取可以根据与 10 条标准
JRC 曲线的比较确定。S. M. Hsiung 等[12]的研究表
明：由于受主观因素的影响，不同研究者通过比较
法确定的 JRC 值存在较大差异，而且比较法确定的
收稿日期：2014–08–11；修回日期：2015–01–03 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB013501，2010CB732005)；新世纪优秀人才计划项目(NCET–11–0406) 作者简介：杨 洁(1989–)，男，2013 年毕业于合肥工业大学水利水电工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石水–力耦合方面的研究工作。E-mail： yangjieguoyang@126.com。通讯作者：荣 冠(1971–)，男，博士，现任教授。E-mail： rg_mail@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2014.1096
胀形式的含三维形貌参数的峰值抗剪强度模型。该
模型符合莫尔–库仑摩擦定律的形式，在一定法向
应力范围内可以预测节理面的峰值抗剪强度。但是
其计算公式中剪胀角量纲和基本摩擦角量纲不一
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岩石力学与工程学报
源自文库
2015 年
致，而且在不同法向应力下剪胀角的演化趋势与实 际情况是不一致的。
由此可见，基于三维形貌特征的抗剪强度模型 仍需要进一步探究。通过室内制备岩石节理试件， 采用 CCD 扫描仪对岩体节理三维形貌进行测量，并 计算节理面的三维形貌参数。在岩石节理剪切仪上 进行不同法向应力下的直剪试验，获得节理剪切曲 线和峰值抗剪强度。对测量得到的三维形貌参数和 对应的岩石节理峰值抗剪强度分布规律进行研究， 建立了一种形式简单、量纲一致、物理意义明确的 节理峰值抗剪强度模型。
第 34 卷 第 5 期 2015 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.34 No.5 May，2015
节理峰值抗剪强度试验研究
杨 洁 1，2，荣 冠 1，2，程 龙 1，2，侯 迪 1，2，王小江 3
to study the relationship between the characteristics of three-dimensional morphology and the peak shear strength of rock joints，the rock samples with fresh tensile joint of granite and sandstone were prepared and the direct shear
three-dimensional
morphological
parameters
which
were
termed
as
the
maximum
apparent
dip
angle
θ* max
and
a
roughness parameter C. Direct shear test data of tensile rock joints collected from Grasselli′s research were used to
的间距选取若干条的节理轮廓线，分析发现，同一
节理表面选取的二维轮廓线的 JRC 值相差比较大。
可见，二维轮廓线的研究成果，对于真实节理面粗
糙度的反映具有局限性。节理面在剪切过程中，节理
面的接触、变形和剪切抵抗是受节理面三维形貌特
征影响的[19-20]。因此，分析节理面的三维形貌是准
确预测岩石节理峰值抗剪强度的关键。
Hubei 430072，China；3. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014，China)
Abstract：The three-dimensional morphology(3D) of a rock joint has a great impact on its shear behavior. In order
貌参数
A0
，C
和
θ
* m
ax
，并建立了相应的峰值抗剪强
度模型。Grasselli 模型是含有与剪切方向相关的三
维形貌参数的峰值抗剪强度模型。但是该模型形式
复杂，没有进行不同方向的节理剪切试验研究，不
能真正体现剪切强度的各向异性。而且该模型形式
上不能体现三维形貌特征与峰值剪胀角的关系。C. C. Xia 等[18，26]在 Grasselli 模型基础上提出了具有剪
第 34 卷 第 5 期
杨 洁等：节理峰值抗剪强度试验研究
• 885 •
1引言
天然岩体由岩石和结构面组成，结构面的存在 对岩体的力学性能造成很大的影响。工程实践反复 证实，自然岩体和工程岩体的失稳大多源于结构面 的破坏。因此，软弱结构面的剪切力学行为研究一 直受到国内外学者的极大重视。
在岩石力学发展的 50 a 多中，国内外许多学者 相继提出过一些岩石节理在常法向应力条件下的峰 值抗剪强度模型。F. D. Patton[1]针对单一规则齿状节 理的研究，基于爬坡效应和切齿效应，提出了著名 的双直线强度模型。该模型形式简洁，物理含义清 晰，而且满足莫尔–库仑摩擦定律。B. Ladanyi 和 G. Archambault[2]详细分析了规则齿状节理的受力状 态，引入剪切面积比的概念，利用能量和力学分析 方法，提出了能够同时考虑爬坡和切齿效应的峰值 抗剪强度经验模型。N. Barton 等[3-4]通过大量天然岩 石节理直剪试验和野外节理形态的考察，总结得到 JRC-JCS 峰值抗剪强度经验模型。H. J. Schneider[5] 通过对复制节理的试验研究，得到了考虑剪胀角衰 减规律的节理峰值抗剪强度经验模型。M. F. Plesha[6] 研究了节理剪切过程中接触变形和破坏的力学行 为，基于弹塑性理论分析，建立了峰值抗剪强度理论 模型。M. Maksimović[7]对 Patton 模型进行改进，提 出了剪胀角与法向应力呈双曲线关系的半经验半理 论模型。P. Kulatilake 等[8]对节理面轮廓线分形参数 和统计参数进行研究，建立了能够反映各向异性剪 切特性的峰值抗剪强度经验模型。J. Zhao[9]研究节 理吻合度对节理峰值抗剪强度的影响，提出了 JRC-JMC 模型。沈明荣和张照清[10]对规则齿形结构 面的抗剪强度模型进行了研究。李海波等[11]研究了 不同起伏角度的锯齿状混凝土节理试样在不同剪切 速率下的强度模型。
剪切位移相关，因此该模型存在不足。G. Grasselli
等[23-25]通过大量直剪试验研究发现，所有的剪切接
触面都是分布在面向剪切方向的陡倾角区域。在将
节理面离散为三角形网格的基础上，通过定义有效
剪切倾角，发现了节理面有效剪切倾角与其对应的
接触面积的统计函数关系的规律，提出了能够考虑
节理面剪切方向和有效剪切倾角分布特征的三维形
tests were carried out under different constant normal stresses. The morphology of each joint was measured before the direct shear tests. The three-dimensional morphological parameters of each joint were calculated. Then，by analyzing the test results ， a new peak shear strength criterion for rock joints was proposed using two
剪强度的影响，制备花岗岩和红砂岩人工劈裂岩石节理试样，并在常法向应力条件下进行了 2 种岩样节理的直剪
试验，法向应力变化范围为 0.325～8.000 MPa。在直剪试验前对节理表面形貌进行测量，并计算其三维形貌参数
最大接触面积比
A0、最大有效剪切倾角
θ
* max
和粗糙度参数
C。通过对三维形貌参数和直剪试验结果的分析，基于
was shown that the new criterion had some advantages in predicting the peak shear strength for rock joints. Key words：rock mechanics；joint；peak shear strength；direct shear test；3D morphology
三维形貌参数最大有效剪切倾角
θ* max
和粗糙度参数
C，建立节理峰值抗剪强度模型。最后，引用
Grasselli
的
30
组
直剪试验数据对模型进行验证计算，并结合本文的 20 组试验数据，与 Grasselli 和夏才初的节理强度模型进行对比
分析，结果表明新模型有合理的改进，而且能够很好地预测节理的峰值抗剪强度。
(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072； 3. 中国电建集团 中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)
摘要：节理的三维形貌特征是影响节理剪切力学行为的重要因素。为了深入研究三维形貌特征对岩石节理峰值抗
以上抗剪强度模型的提出，使无充填节理抗剪 强度的力学机制被揭示得越来越明确。其中，Barton 模型因其形式简单且在一定程度上能够反映不规则 节理面的粗糙度，成为目前应用最为广泛的节理峰 值抗剪强度模型。N. Barton 和 V. Choubey[4]通过在 公式中引入节理粗糙度系数(JRC)来表征整个节理 面粗糙程度对抗剪强度的贡献，JRC 值通过直剪试 验反算确定或者根据与 10 条标准 JRC 曲线比较确 定。显然，根据直剪试验反算确定的 JRC 能够反映 整个节理面的粗糙程度，然而实际工程应用中，只
JRC 值与实际值存在一定偏差。基于上述原因，N.
Turk 等[13-15]和 R. Tse 等[16-17]分别提出了利用分形参
数和统计参数来定量计算 JRC 值。这些方法虽然在
数学上有很好的计算精度，但通过单一的轮廓线计
算的 JRC 值与实际节理面粗糙度系数有一定偏差。 C. C. Xia 等[18]在同一节理表面沿着剪切方向隔一定
在三维形貌准确测量的基础上，T. Belem 等[21-22]
定义了 5 个形貌参数来描述三维节理面的起伏高
度、坡度、波形、各向异性、表面曲率，并根据剪
切过程中特征参数的演化，建立了相应的考虑三维
形貌参数的节理峰值抗剪强度模型。由于 Belem 参
数是单纯的从节理面几何特征提出的，与节理面的
剪切力学机制关系不清楚，其建立的经验模型还与
further verify the proposed criterion. A comparison among the new criterion，Grasselli′s criterion and Xia′s
criterion was made regarding the rationality of the formula and the prediction accuracy with 50 groups of joints. It
关键词：岩石力学；节理；峰值抗剪强度；直剪试验；三维形貌
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2015)05–0884–11
EXPERIMENTAL STUDY OF PEAK SHEAR STRENGTH OF ROCK JOINTS
YANG Jie1，2，RONG Guan1，2，CHENG Long1，2，HOU Di1，2，WANG Xiaojiang3
能预估 JRC 值来预测节理的峰值抗剪强度，因此这
种方法在实际应用中价值相对有限。为预估节理的
峰值抗剪强度，JRC 值的选取可以根据与 10 条标准
JRC 曲线的比较确定。S. M. Hsiung 等[12]的研究表
明：由于受主观因素的影响，不同研究者通过比较
法确定的 JRC 值存在较大差异，而且比较法确定的
收稿日期：2014–08–11；修回日期：2015–01–03 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB013501，2010CB732005)；新世纪优秀人才计划项目(NCET–11–0406) 作者简介：杨 洁(1989–)，男，2013 年毕业于合肥工业大学水利水电工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石水–力耦合方面的研究工作。E-mail： yangjieguoyang@126.com。通讯作者：荣 冠(1971–)，男，博士，现任教授。E-mail： rg_mail@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2014.1096
胀形式的含三维形貌参数的峰值抗剪强度模型。该
模型符合莫尔–库仑摩擦定律的形式，在一定法向
应力范围内可以预测节理面的峰值抗剪强度。但是
其计算公式中剪胀角量纲和基本摩擦角量纲不一
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岩石力学与工程学报
源自文库
2015 年
致，而且在不同法向应力下剪胀角的演化趋势与实 际情况是不一致的。
由此可见，基于三维形貌特征的抗剪强度模型 仍需要进一步探究。通过室内制备岩石节理试件， 采用 CCD 扫描仪对岩体节理三维形貌进行测量，并 计算节理面的三维形貌参数。在岩石节理剪切仪上 进行不同法向应力下的直剪试验，获得节理剪切曲 线和峰值抗剪强度。对测量得到的三维形貌参数和 对应的岩石节理峰值抗剪强度分布规律进行研究， 建立了一种形式简单、量纲一致、物理意义明确的 节理峰值抗剪强度模型。
第 34 卷 第 5 期 2015 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.34 No.5 May，2015
节理峰值抗剪强度试验研究
杨 洁 1，2，荣 冠 1，2，程 龙 1，2，侯 迪 1，2，王小江 3
to study the relationship between the characteristics of three-dimensional morphology and the peak shear strength of rock joints，the rock samples with fresh tensile joint of granite and sandstone were prepared and the direct shear
three-dimensional
morphological
parameters
which
were
termed
as
the
maximum
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dip
angle
θ* max
and
a
roughness parameter C. Direct shear test data of tensile rock joints collected from Grasselli′s research were used to
的间距选取若干条的节理轮廓线，分析发现，同一
节理表面选取的二维轮廓线的 JRC 值相差比较大。
可见，二维轮廓线的研究成果，对于真实节理面粗
糙度的反映具有局限性。节理面在剪切过程中，节理
面的接触、变形和剪切抵抗是受节理面三维形貌特
征影响的[19-20]。因此，分析节理面的三维形貌是准
确预测岩石节理峰值抗剪强度的关键。
Hubei 430072，China；3. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014，China)
Abstract：The three-dimensional morphology(3D) of a rock joint has a great impact on its shear behavior. In order
貌参数
A0
，C
和
θ
* m
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，并建立了相应的峰值抗剪强
度模型。Grasselli 模型是含有与剪切方向相关的三
维形貌参数的峰值抗剪强度模型。但是该模型形式
复杂，没有进行不同方向的节理剪切试验研究，不
能真正体现剪切强度的各向异性。而且该模型形式
上不能体现三维形貌特征与峰值剪胀角的关系。C. C. Xia 等[18，26]在 Grasselli 模型基础上提出了具有剪
第 34 卷 第 5 期
杨 洁等：节理峰值抗剪强度试验研究
• 885 •
1引言
天然岩体由岩石和结构面组成，结构面的存在 对岩体的力学性能造成很大的影响。工程实践反复 证实，自然岩体和工程岩体的失稳大多源于结构面 的破坏。因此，软弱结构面的剪切力学行为研究一 直受到国内外学者的极大重视。
在岩石力学发展的 50 a 多中，国内外许多学者 相继提出过一些岩石节理在常法向应力条件下的峰 值抗剪强度模型。F. D. Patton[1]针对单一规则齿状节 理的研究，基于爬坡效应和切齿效应，提出了著名 的双直线强度模型。该模型形式简洁，物理含义清 晰，而且满足莫尔–库仑摩擦定律。B. Ladanyi 和 G. Archambault[2]详细分析了规则齿状节理的受力状 态，引入剪切面积比的概念，利用能量和力学分析 方法，提出了能够同时考虑爬坡和切齿效应的峰值 抗剪强度经验模型。N. Barton 等[3-4]通过大量天然岩 石节理直剪试验和野外节理形态的考察，总结得到 JRC-JCS 峰值抗剪强度经验模型。H. J. Schneider[5] 通过对复制节理的试验研究，得到了考虑剪胀角衰 减规律的节理峰值抗剪强度经验模型。M. F. Plesha[6] 研究了节理剪切过程中接触变形和破坏的力学行 为，基于弹塑性理论分析，建立了峰值抗剪强度理论 模型。M. Maksimović[7]对 Patton 模型进行改进，提 出了剪胀角与法向应力呈双曲线关系的半经验半理 论模型。P. Kulatilake 等[8]对节理面轮廓线分形参数 和统计参数进行研究，建立了能够反映各向异性剪 切特性的峰值抗剪强度经验模型。J. Zhao[9]研究节 理吻合度对节理峰值抗剪强度的影响，提出了 JRC-JMC 模型。沈明荣和张照清[10]对规则齿形结构 面的抗剪强度模型进行了研究。李海波等[11]研究了 不同起伏角度的锯齿状混凝土节理试样在不同剪切 速率下的强度模型。
剪切位移相关，因此该模型存在不足。G. Grasselli
等[23-25]通过大量直剪试验研究发现，所有的剪切接
触面都是分布在面向剪切方向的陡倾角区域。在将
节理面离散为三角形网格的基础上，通过定义有效
剪切倾角，发现了节理面有效剪切倾角与其对应的
接触面积的统计函数关系的规律，提出了能够考虑
节理面剪切方向和有效剪切倾角分布特征的三维形
tests were carried out under different constant normal stresses. The morphology of each joint was measured before the direct shear tests. The three-dimensional morphological parameters of each joint were calculated. Then，by analyzing the test results ， a new peak shear strength criterion for rock joints was proposed using two
剪强度的影响，制备花岗岩和红砂岩人工劈裂岩石节理试样，并在常法向应力条件下进行了 2 种岩样节理的直剪
试验，法向应力变化范围为 0.325～8.000 MPa。在直剪试验前对节理表面形貌进行测量，并计算其三维形貌参数
最大接触面积比
A0、最大有效剪切倾角
θ
* max
和粗糙度参数
C。通过对三维形貌参数和直剪试验结果的分析，基于