岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究
◎符其山陈辉刘诗桐
一、岩体构成及其强度影响因素
天然存在的岩体经过多次的地质作用，岩体遭受变形和破坏，形成一定的成分和结构。岩体内部又有着各
式各样的地质界面，它包括物质分异面和不连续面，例如：假整合、不整合、褶皱和断层等。由于它们形成的成因和特性不同，导致其物理性质也有所差异，我们把这些不同的地质界面统称为结构面（弱面）。有的岩体通过被结构面切割形成岩块，又被称为结构体。结构体（岩块）是岩体基本组成部分。岩石就是由结构面和结构体（岩块）共同组成的。
结构面对岩体的力学性质起着非常关键的控制作用，由于结构面影响着岩体的力学性质以及连续性，大自然中各种自然灾害与结构面有关。例如：山体崩塌、滑坡、岩爆等。
开展结构面的力学性质研究是评价岩体稳定性的重要因素。山体的滑坡以及岩爆对人们的生产和生活存在这非常重大的影响，而发生诸多事故的影响因素主要为岩体结构面对岩体强度的影响，所以研究岩石结构面的抗剪切强度以及抗拉强度存在着重要的意义。在工程中，岩体结构面的破坏主要为剪切破坏，而结构面的抗拉强度几乎可以被忽略，故研究岩体结构面的抗剪特性具有重大意义。而岩石结构面剪切强度的影响因素也有很多，例如：JRC（岩石结构面粗糙度）、JCS（壁面强度）、法向应力以及结构面充填物等影响因素，而其中较为关键的JRC（结构面的粗糙度），其具有许多性质，
二、国内外对岩石结构面剪切强度的研究现状
早在1966年国外学者Bardon就提出齿状节理直剪实验，1977年又提出JRC 的概念，归纳了十条标准JRC曲线，从而建立了岩石剪切强度与粗糙度之间的关系。在此模型基础上，B.I ndraratna在不同法向
正应力下，对规则结构面岩体进行直剪实验，证明了法向应力与抗剪切强度的关系。
G.G rasselli（2003）为了力求更真实的结构面粗糙度，通过3D扫描、研究采样方向、采样精度、采样尺寸等评价结果的影响，提出了三维岩体结构面粗糙度评价方法。
我国学者也对岩石结构面粗糙度进行了进一步的探索。杜时贵通过研制轮廓曲
线仪和粗糙尺度，较好的解决了结构面粗
糙度代表性的问题，并且通过对结构面剪
切强度估算方法的研究，更加透彻的分析
了抗剪强度的力学机理并且加以修正。夏
才初通过对采用不同法向应力进行直剪试
验，并在试验前后，分别测试节理表面形貌
数据，最终确立节理剪胀角与三维形貌参
数直剪的关系。唐志成通过进行多次室内
直剪试验，将多种形貌参数与剪涨角相联
系，并基于Grasselli节理峰值抗剪强度公
式，提出了考虑剪涨效应的节理峰值抗剪
切公式，之后又对试件施加不同法向应力
后，分析了法向应力与剪涨角的关系，并提
出双曲线剪涨角模型及节理抗剪峰值公
式。魏继红通过对重复剪切作用下，填充物
对结构面剪切强度的影响，阐明了填充物
对结构面的剪切破坏不会破坏其剪切方
式，只会增强结构面的爬坡效应。
三、岩石结构面尺寸效应研究
关于岩石结构面的尺寸效应实验，这
里着重提一下岩石结构面的尺寸效应。尺
寸效应是指“岩体中存在不同尺度的不连
续面而导致不同尺度试验被测得的力学
性质有差异的现象”。我们把尺寸效应消
失或十分微弱的最小岩体尺寸体积称为
岩体表征单元REV。
粗糙度的尺寸效应与结构面剪切强
度的尺寸效应有直接关系，有学者直接研
究剪切强度的尺寸效应却对粗糙度的尺
寸效应做出了研究，有着及其重要参考意
义。陈世江提出JRC进一步研究发现随着
尺寸范围的增大，JRC逐渐减小，尺寸增大
到达一定程度时JRC趋于平稳罗战友通
过自己研发的类岩石模拟材料和结构面
制作工艺在推拉试验测试后得出与陈世
江相似的结论，即结构面粗糙度系数随着
试样尺寸的增加而降低。近四十年来，学
者们通过研究结构面粗糙度尺寸效应，从
而间接的开开展结构面尺寸效应峰值抗
剪强度特性，众多学者在峰值尺寸效应峰
值抗剪切强度理论上产生了分歧，具体理
论如下：
1.正尺寸效应：伴随着尺寸的增长，结
构面峰值抗剪切强度逐渐增大，结构面粗
糙度随之增大。
2.负尺寸效应：伴随着尺寸的增长，结
构面峰值抗剪切强度逐渐减小，结构面粗
糙度随之减小。
3.无尺寸效应：结构面尺寸的增长与
结构面粗糙度之间没有明确的关系。
4.尺寸效应存在，但无法准确判断类
型：即尺寸效应可能为正尺寸效应，也可
为负尺寸效应，亦先为正尺寸效应后为负
尺寸效应，或先为负尺寸效应后为正尺寸
效应。
四、岩石结构面剪切强度研究内容、
方案及技术路线图
1.研究内容与方案。本文采用3D扫描
仪对原岩进行扫描的方式进行获取原岩
的地形地貌，再导入杰魔中，将结构面的
地形地貌进行摆正，后导入犀牛中，对结
构面进行切割及转换格式，然后采用3D
打印机打印结构面，并将结构面放入钢模
中，采用石膏为试验材料进行浇筑，获取
原岩结构面。
2.结构面抗剪切强度的研究。结构面
的抗剪切强度与法向应力有密切的关系，
本文在进行结构面剪切时，分别对结构面
进行四级（3KN、4KN、5KN、6KN）不同低法
向应力的剪切试验，阐述法向应力与结构
面之间的关系。
3.结构面尺寸效应的研究。岩石结构面
强度的影响因素之一是尺寸效应，因此本
文分别对不用尺寸的结构面做了剪切试
验，并绘制出各个峰值强度曲线图，从而研
究尺寸效应与结构面强度的内在关系。
4.试验模拟研究。试验模拟研究是因
为试验的复杂性，进行单一试验无法完全
验证理论的正确性，本次采用PFC2D软件
对试验所用结构面进行直剪模拟，从而验
证试验的可行性，并使用Bardon曲线进
行模拟，进一步阐述结构面尺寸效应存在
的规律。
本次试验采用的方案为3D扫描及3D
打印技术，以石膏为试验材料，通过在钢
及的结构
模中的浇筑，获取结构面地貌特征，再通
过直剪仪进行直剪试验，最后通过数值模
拟软件对获取模拟结果，对比两结果差
异，分析试件尺寸效应所呈趋势及原因，
最后得出结论。
五、试验的创新点及意义
1.试验创新点。由于岩石试件力学试验
具有不可重复性的缺陷，
在室内开展结构··
（作者单位：中铁上海工程局集团有限公司）
（上接第94页）
台钻机施工无法满足工程进度，需要多台钻机分段施工，这就存在前后施工段的接头问题，采用砂桩是一个比较好的方法，如图3所示。在分施工段的两端设置一个砂桩(成孔后用砂灌满)，待后施工段到次接头时挖出砂灌上砼即可。
7.事故桩的处理方法。在钻孔咬合桩
施工过程中，因A 桩超缓凝混凝土的质量不稳定出现早凝现象或机械设备故障等原因，造成钻孔咬合桩的施工未能按正常要求进行而形成事故桩。事故桩的处理视其情况主要有以下几种方法：①平移桩位单侧咬合；②背桩补强；③预留咬合锲口。
（四）质量控制及保证措施1.质量控制。（1）钻孔咬合桩在正式施工前应进行试成孔(数量不小于2个)，以核对地质资料、检验设备、工艺以及技术要求是否适当。（2）成孔护筒下压时，若遇孤石，先用十字冲击锤冲砸击碎，再下压钢护筒到设计位置。（3）为控制桩的垂直度，首先
钻机架立平整、稳固，套管中心与设计位置偏差控制在1cm 以内；其次钢套管就位后在管壁两侧安设2套测斜仪，随时检测套管垂直度；然后在钻机下压钢套管时，设置2台经纬仪控制其方向，随时调整钢套管的垂直度，以保证垂直度不超过3‰。在钻孔过程中随时监控套管垂直度，发生偏移及时间。（4）在A 型桩砼中加人缓凝型减水剂，以使被切割的A 型桩强度有较长的等值时间，从而减少B 型桩施工时因挤压及摩擦对Ａ型桩的影响。
2.质量保证措施。在施做B 型桩过程中，由于相邻的A 型桩砼处于未初凝状态，随着钻孔的加深，A 型桩有可能出现砼管涌现象。这时应合理控制A 型桩砼的塌落度；依据套管的最大切割下压能力，做到套管始终超前，抓土在后。遇见地下水或穿越砂层时应随时观察孔内动态，按少取土多压切的原则操作，发挥全套管跟进的钻孔工艺特点，以达到套管超前。一般底部要保留2~4m 厚的砂土层与套筒外的砂土层平衡压力，也可以通过在套筒内补水的方法，平衡套筒外的水压力来防止管涌发生。
由于特殊情况造成A 型桩砼超过终凝时间较长，砼强度超过10MPa 以上时，B 型桩成孔无法切割A 型桩，而不能成孔，施工
将跳开该桩继续施工其他能切割的桩，最后
沿两桩外侧施工旋喷桩，进行人工成孔；如果发生咬合桩施工流水作业中断的情况，应迅速移机对末端桩进行切割，单侧咬合面成孔，然后在孔内灌注河砂拔管形成砂桩，待后续咬合施工至该桩时重新成孔
完成连续咬合桩的施工；当成孔精度不能满足1/300的要求时，A 桩采用灌砂成砂桩的措施，然后重新成孔；B 桩采用灌注设计标号的混凝土重新成孔的措施，直至达到施工精度要求。咬合桩的质量控制是施工中的关键环节，施工过程中必须对其垂直度、咬合度进行控制，从而使基坑严密不渗漏，对基坑防护具有一定的经济效果。
四、结语
钻孔咬合桩在桩间咬合后形成无缝连续的“桩墙”，决定了其施工机具必需采用钢套管护壁的全套管钻机，以及采用与灌注超缓凝混凝土相适应的施工工艺。钻孔咬合桩特别适用于城市建筑物密集区，在施工过程中严格控制成桩的垂直度，咬合紧密，确保基坑不渗漏，可相应降低工程造价，提高施工速度，切实保证支护结构的质量，有利于施工场地的文明整洁，该工法目
前已广泛地应用于地铁基坑支护措施中。
（作者单位：海口经济学院）
面抗剪切试验存在着很大的困难，故本次采用三维扫描技术配合3D 打印技术，可以无限重复结构面，再与自制钢模相结合，可以很好的重复结构面的地形地貌，使上下盘吻合度较高，而且具有成本低、耗时短等优点。
2.试验意义。（1）理论意义：虽然国内外大多数学者在结构面方向已经有了很深的进展，但大多数都是锯齿形规则结构面，采用3D 打印及浇筑技术还原结构面的学者非常少，故本次试验为结构面提供了新的方法。由于结构面尺寸效应的影响因素一直是个热门话题，但进展却不理想，本次试验也为结构面尺寸效应提供了新的思路。
（2）工程意义：由于地质条件的复杂多样性，岩石中必定存在着结构面，而结构面却是影响岩石稳定性的主要因素，不论是隧道开挖还是地下采矿都与岩石息息相关，故本次试验也为工程实践提供了新的安全理论。
六、试样的获取
在进行剪切试验时，原岩具有不可重复的特点，且获取成本高，获取难度大等特点，故本次试验将采用结构面放入钢模中浇筑的方式获取结构面，其优点为：
1.获取结构面速度快、成本低且难度较小。
2.结构面可大量制作，可无限进行剪切试验，对比结果。
3.获取结构面精度较高，可较完美的获取结构面的地形地貌。
本次试验所选取的仪器为微机控制电液伺服万能试验机，其最大优势为精度高，液压缸精密性好，可通过自主系统控制整个单轴试验过程，监测试件所承受的力、变形等，并且将获取到的单轴试验结果进行处理。
试样的制作在试验环节内具有重要的影响因素，试验的结果受到试样较大的影响，本文为了较好的浇筑结构面，获取试件，经过计算钢模高度与结构面位置关系，在试验前将结构面支柱打印好，放入钢模中，再将结构面放入，将配比好的石膏倒入模具中，待完全填充好后，将顶面刮平，静置两天，待石膏较干后取出，进行养护15d，待试件完全干后，可进行试验。
具体制作过程如下：
1.拆分并清洗模具。本次使用的钢模为了便于取出试件采用的是可拆卸的，在试验进行前将其拆卸并清洗，以便使用。
2.将钢模涂抹脱模剂。待钢模干燥后，在内部涂抹一层脱模剂，方便后面顺利的将试件取出。
3.在模具中放入支柱，之后放入3D 打印的结构面块体，将其表面涂抹脱模剂。
4.测量材料质量。将塑料杯放入电子称上，将数字面板清零，在将石膏粉放入塑料杯内，测得所需质量；再取另一只塑料杯中称入水，将水和石膏粉的质量控制在0.4：1。
5.搅拌材料。将测得石膏粉倒入塑料盆中，再将称得的水倒入盆中，将石膏粉与水均匀的搅拌三分钟。
6.浇筑试样，将均匀搅拌好的石膏倒入模具中，在倒入时应一层一层的倒入，防止有些地方产生气泡，待完全放入模具后，将面刮平。
7.养护。将浇筑好的石膏静置一天，待石膏硬化后，将模具拆卸，将试件取出，放在室内进行养护，直至试件完全硬化。
（8）将上述步骤重复进行，直至所有试件全部制备完成。
结束语：岩石结构面的抗剪切强度作为岩体的稳定性的主要影响因素，广大学者和工程师意识到，研究岩石抗剪切强度对边坡防护和矿山作业等具有重大意义。近年来，国内外学者对岩石结构面抗剪切强度做了许多工作，在结构面抗剪强度方面取得了重大进展，但大多数学者只对规则锯齿状结构面进行了研究，而天然节理的结构面的抗剪切强度却鲜见报道。由于室内试验周期长、投入大，故有学者将目光投向了数值模拟试验，本文将天然节理结构面抗剪切强度室内试验与模拟相结合进行研究，探究天然不规
则岩体抗剪强度与结构面关系。后续将进一步深入研究。海口经济学院项目编号HJKY(YB)
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