变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究

摘要

为探究节理剪切性质随饱和度变化的演变规律,首先采用三维激光扫描技术和3D打印技术相结合的手段,通过将水泥、砂、粉煤灰和水按1∶3∶0.4∶0.55的配比混合,从而复刻出3种不同粗糙度的类岩石节理,并根据计算得到的节理空隙体积对饱和度进行控制,随后采用自主研发的岩石直剪试验系统,对3种粗糙度的复刻节理开展了在常法向应力(0.2 MPa)和变饱和度条件下的直剪试验。试验结果表明,饱水时3种粗糙度的节理试样峰值剪切强度平均降低28.4%,不同粗糙度下峰值剪切强度分别降低35.7%(JRC=12.9),28.5%(JRC=10.1)和16.1%(JRC=7.3)。此外,随着饱和度的增大,节理残余剪切强度亦逐渐下降,降低幅度为7%~12%,其下降程度同样与粗糙度相关。通过进一步的分析表明:水的力学作用和对粗糙节理面的浸润作用是引起其剪切强度弱化的主要原因;随着粗糙度的增加,水-岩相互作用的面积增大,水对节理剪切强度的弱化程度相应地增强。所揭示的抗剪强度随饱和度增加而显著弱化的现象表明,对岩体工程进行设计时除了考虑水的影响外,还应对含水量(饱和度)可能导致的剪切强度弱化进行量化分析。