共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准则研究

[σ
a
+
(σ
2 a
+
4τ
2 a
)1/
2
]
(4)
当 π / 2 ≤α ＜ 3π / 4 ，sin(2α ) = −
2τ a
，
(σ
2 a
+
4τ
2 a
)1/
2
cos(2α) =
σa
(σ
2 a
+
4τ
2 a
)1/ 2
， aσ 3
=
1 π + 1 arctan 2τ a
22
σa
(最
小主应力面与剪切面的夹角)，则
岩体中的节理主要处于压剪应力状态下，非贯 通节理岩体的抗剪强度一直是国内外学者重点研究 内容。B. Stimpson[5]提出的将节理和岩桥抗剪强度 参数按连通率进行加权平均得到的加权平均强度准 则，是建立在节理和岩桥的破坏同时遵循 MohrCoulomb 破坏判据基础上，这种准则计算的节理岩 体的抗剪强度偏高；E. Z. Lajai[6，7]提出的不同正应 力下破坏方式不同的分段破坏准则，把张性破坏、 剪性破坏和挤压破坏 3 种方式截然分段考虑，使其 所得结果过于安全。H. H. Einstein 等[8]将 E. Z. Lajtai 的岩桥受剪破坏理论运用于边坡稳定分析；J. J. Hung 和 T. T. Lee[9]考虑到岩桥内部的孔隙和微裂 纹，对基于线弹性断裂力学的抗剪强度公式进行修 正；范景伟和何江达[10]提出的基于断裂力学的强度 准则，实际上只是节理尖端的初裂强度，而不是岩 体的峰值贯通破坏强度，而初裂强度明显低于贯通 破坏强度；梁作元等[11，12]通过修正初裂强度得到的 破坏准则，物理含义不明确，传压系数和似断裂韧
收稿日期：2005–06–10；修回日期：2005–09–22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40472142) 作者简介：刘远明(1975–)，男，1998 年毕业于河海大学，现为博士研究生，主要从事地下结构方面的研究工作。E-mail：liuyuanming75@sohu.com
第 25 卷 第 10 期
本文研究了直剪应力状态下共面闭合非贯通节 理的受力特点；提出了共面闭合非贯通节理岩体破 坏机制，引入了起剪角，在此基础上建立了含起剪 角贯通破坏强度准则。通过与前人的试验结果进行 对比，表明提出的破坏机制能较好地解释试验现象， 且理论计算的峰值强度与试验实测值吻合较好。
2 共面闭合非贯通节理岩体扩展贯通 强度
即最大主应力 σ 1 为压应力，最小主应力 σ 3 为拉应
力[6]，即当 0≤α ＜ π / 4 时，sin(2α ) =
2τ a
，
(σ
2 a
+
4τ
2 a
)1/
2
cos(2α ) =
σa
(σ
2 a
+
4τ
2 a
)1/
2
，ασ1
=
1 arctan 2τ a
2
σa
(最大主
应力面与剪切面夹角)，则
σ1
=
1 2
吻合较好。
关键词：岩石力学；节理岩体；直剪；起剪角；破坏强度；共面闭合非贯通节理
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)10–2086–06
STUDY ON FRACTURE MECHANISM AND CRITERIA OF FAILURE STRENGTH OF ROCK MASS CONTAINING COPLANAR CLOSE DISCONTINUOUS JOINTS UNDER DIRECT SHEAR
摘要：简述共面闭合非贯通节理岩体的破坏机制及其贯通强度依赖于节理和岩桥的特性，阐述现有的共面闭合非
贯通节理岩体的强度准则及其不足。研究直剪应力状态下共面闭合非贯通节理的受力特点，提出共面闭合非贯通
节理岩体破坏机制，引入起裂角，在此基础上建立含起裂角的共面闭合非贯通节理岩体贯通破坏强度准则。通过
与前人的试验进行对比，结果表明提出的破坏机制能较好地解释试验现象，理论计算的峰值强度与试验实测值
σ3
=
1 2
[σ
a
−
(σ
2 a
+
τ4 )2 1/ 2 a
]
(5)
节理(为方便叙述，不妨将扩展的裂纹称为“新 节理”)扩展的条件为
τ = σ tan ϕ0 + c0
(6)
式中： c0 ， ϕ0 分别为岩块黏聚力和内摩擦角。又
σ 3 = Rt
(7)
式中： Rt 为岩块抗拉强度。 如图 2 所示，非贯通节理岩体扩展破坏机制为：
第 25 卷 第 10 期 2006 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 No.10 Oct.，2006
共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和 破坏强度准则研究
刘远明 1，2，3，夏才初 1，2
(1. 同济大学 岩土工程重点实验室，上海 200092；2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092； 3. 贵州大学 土木建筑工程学院，贵州 贵阳 550003)
岩桥应力满足式(6)，节理以剪切破坏方式扩展；岩 桥应力满足式(7)，节理以拉破坏方式扩展。非贯通 节理岩体破坏形式可分为 3 种：拉破坏、剪破坏、 拉剪复合破坏。初裂角是岩桥初裂时最小主应力σ 3 与原节理面的夹角 δ 初 ，δ初 + ασ1 = π / 2 。由式(4)和 (5)可知：在节理扩展的过程中，随着剪应力的增加， σ1 ， σ 3 大小和方向是不断变化的，因而节理因拉 破坏而扩展的方向也是不断变化的；外加法向应力 对节理岩体的扩展贯通有重要影响。当剪应力达到 峰值强度时，非贯通节理岩体最终贯通方式既可能 是拉破坏，也可能是剪破坏，这取决于法向应力的 大小和非贯通节理岩体几何形状和力学性质，包括 节理面的几何位置、节理面的抗剪强度参数和岩桥 的抗剪强度参数等。
3. School of Civil Engineering and Architecture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550003，China)
Abstract：Rock masses containing coplanar close discontinuous joints are commonly found in nature，and their failure mechanism and strength strongly depend on the properties of joints and rock bridges，which are defined as the areas between joints. Several shear failure criteria of the rock mass are viewed and compared，and their weaknesses are pointed out. The mechanical behaviors of brittle rock mass containing coplanar close discontinuous joints under shear condition are analyzed，and the failure mechanisms of the rock mass are proposed. The rock mass may fail in three ways，failure in tension，failure in shear，and failure in mixed tension and shear. A modified criterion of failure strength of the rock mass is proposed for failure in mixed shear and tension. The equation of the shear strength contains the properties of geometry and mechanics of joints and rock bridges. Shear initiation angle as a new parameter is introduced firstly and also is contained in the equation. The failure mechanism can explain the phenomenon in direct shear test，and the calculated results according to the modified criterion of failure strength agree well with experimental results. Key words：rock mechanics；jointed rock mass；direct shear；shear initiation angle；failure strength；coplanar close discontinuous joints
共面闭合非贯通节理岩体在压剪应力作用下， 其受力特点如图 1 所示。由图 1(b)可知，在微元体 内，与剪切面夹角为α 的斜面上[6]：
σ
=
1 2
σ
a
+
1 2
σ
a
cos(2α ) + τ a
sin(2α )
(1)
τ
=
1 2
σ
a
sin(2α ) −τ a
Байду номын сангаас
cos(2α )
(2)
式中： σ a ，τ a 分别为外加的法向应力和剪切应力； α 为斜面与剪切面的夹角。
刘远明等. 共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准则研究
• 2087 •
1引言
岩体是水利、交通、采矿、石油开采等工程广 泛遇到的一类复杂工程介质。岩体作为一种地质体， 在其形成和存在的整个地质历史时期中，经受过各 种复杂而不均衡的地质作用，并最终赋存于一定的 地质环境中。岩体不是均质的，而是由许许多多的 滑动面、裂纹、节理、软弱面、夹层以及断层等组 成的非均质各向异性和非连续的复合结构体。大量 工程岩体(如边坡、坝基等)的破坏和失稳，通常是 由于荷载作用或条件改变，岩体中的某些结构面的 张开、闭合、起裂、扩展及贯通而产生新的剪切滑 动面所引起的[1]。结构面按照发育程度和规模可分 为五级，其中 IV 级结构面主要是指节理面[2]。工程 节理岩体的破坏常由节理和岩桥(新发生破坏的完 整岩石)共同破坏组成的。对非贯通节理岩体，由于 岩桥的存在使其受力及破坏特征都发生了质的变 化。节理端部应力高度集中，导致脆性断裂破坏。 整体的破坏特征表现为由原生节理和自节理端部扩 展的岩桥断面所组成的复合破坏面[3]。在非贯通节 理岩体中，岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特 性在很大程度上受非贯通节理面的规模、密度和空 间分布特征的控制[4]。因此，非贯通节理岩体的变 形和强度特性研究在理论上和工程上都具有十分重 要的意义。
图 1 直剪试验应力分析图 Fig.1 Stress analysis under direct shear test
令
dσ dα
= −σ a sin(2α ) + 2τ a cos(2α ) = 0
·2088·
岩石力学与工程学报
2006 年
则
tan(2α ) = 2τ a
(3)
σa
在压剪应力作用下，应力状态具有明显特点，
度的取值带有很大的人为随意性；钱惠国等[13]提出 的结构影响函数法破坏准则，需要大量的试验工作 才能建立；徐靖南等[14，15]运用断裂力学分析得到压 剪应力作用下共线裂缝的破坏准则。白世伟等[16～19] 根据模型试验研究结果对直剪条件下共面闭合非贯 通岩体的变形和破坏机制进行了分析。任伟中等[18] 推导了相应的峰值破坏强度准则，然而，该准则表 达式中含有需要预先计算的裂纹扩展长度。裂纹的 扩展长度按照等效次生裂纹计算，计算公式较复杂 且含有断裂强度应子，因而计算裂纹长度常常很困 难，且计算结果与实测值相差较大，这对该峰值强 度公式的实际应用带来很大不便。
LIU Yuanming1，2，3，XIA Caichu1，2
(1. Key Laboratory of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；