异性结构面剪切力学特性

目前学者们对岩体结构面的研究，主要针对两侧岩性相同的普通结构面。国内贺建明(1994)首次提出“异性结构面”的概念，特指两侧岩性不同的结构面。沉积岩中不同岩性岩层之间的接触面是自然界最为常见的一类异性结构面，在此将其称为“异性层面”。异性层面对沉积岩岩体，尤其是岩性明显交替变化的沉积岩岩体的稳定性具有重要影响。

3.2.3.1　巴东组典型异性层面剪切力学特性

巴东组地层属海退序列兼有振荡运动形式下形成的滨-浅海相不纯碳酸盐岩、泥砂岩建造，在不同的沉积段表现出灰岩、粉砂岩、泥岩等多种岩性。由于沉积旋回的作用，巴东组地层中常见不同岩性的交替变化，表现为泥岩(页岩)夹灰岩(白云岩)、粉砂岩(石英砂岩)夹泥岩(泥灰岩)、灰岩(白云岩)与泥岩(泥灰岩)互层以及粉砂岩(泥质粉砂岩)与泥岩互层等，由此可见，巴东组地层中异性层面非常发育。异性层面层间滑动是导致巴东组易滑地层岩体失稳破坏的重要原因。如:沪蓉西高速公路沿线巴东组红层地区，紫红色粉砂岩和青灰色泥岩互层结构的岩质边坡中有多处沿异性层面发生的滑动破坏，其中朝阳坡服务区形成了约1.2×107m3的整体滑动，迫使其上村庄整体搬迁，严重影响了工程进度，造成了巨大的经济损失;三峡库区巫山县新城址巴东组三段所形成的大型复杂泥质灰岩滑坡与燕山晚期构造作用下软硬岩层之间发生的层间滑动有密切关系;巴东新城区巴东组中顺层滑动现象普遍，而易于发育顺层滑动的部位就是强弱岩层间的异性层面，如巴东组第二段与第三段的界面;巴东组典型滑坡——赵树岭滑坡和谭家湾滑坡均为沿软硬岩层接触界面发育的基岩滑坡。大量工程实例表明，巴东组易于发生滑动破坏的典型异性层面主要有三类:第一类为巴东组第二段紫红色地层(红层地层)中粉砂岩(泥质粉砂岩)与泥岩的接触面(殷跃平，2005);第二类为发育有许多大型复杂滑坡的巴东组第三段地层中泥灰岩与泥岩的接触面(张加桂，2001;黄润秋，2007);第三类为发育多个大规模顺层基岩滑坡的巴东组第二段与第三段的分界面，主要为泥质粉砂岩与泥灰岩的接触面(唐辉明等，2002)。巴东组典型异性层面研究是该组地层斜坡稳定性及地质灾害致灾机理研究的基础。

巴东组第二段与第三段的分界面是巴东组易于发生滑动破坏的典型异性层面，主要为粉砂质泥岩与泥灰岩的接触面，本节将其作为研究对象，开展异性层面剪切特性研究(方堃等，2014)。

基于3.2.1节所建立的异性层面剪切试验数值模型及细观力学参数，得到巴东组典型泥灰岩-粉砂质泥岩异性层面的剪切应力-应变曲线，如图3-7所示。同时，为了进行对比研究，图3-7还给出了粉砂质泥岩和泥灰岩同性层面数值模拟结果。由图可见，在法向应力为1MPa时，粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的剪应力峰值为1.49MPa。粉砂质泥岩同性层面和泥灰岩同性层面的剪应力峰值分别为1.11MPa和2.48MPa。由此可得，剪切应力峰值大小由大到小依次是泥灰岩同性层面、粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面、粉砂质泥岩同性层面。且粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的剪切应力峰值高于粉砂质泥岩同性层面的剪切应力峰值，低于泥灰岩同性层面的剪切应力峰值，且更接近粉砂质泥岩同性层面的剪切应力峰值。主要原因是由于粉砂质泥岩层面表面强度比泥灰岩层面表面强度低得多。在剪切过程中，粉砂质泥岩层面表面会被大量破碎和剪断，而泥灰岩层面表面被破碎和剪断相对较少，这样粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的剪切应力峰值就主要取决于强度较小的那侧岩体。

图3-7　巴东组异性层面剪切应力-位移曲线(σn=1MPa)

3.2.3.2　表面形态的影响及其规律

图3-8　不同表面形态下粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的剪切应力-位移曲线

为研究表面形态对异性层面剪切力学特性的影响，建立平直状、15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状4种表面形态模型，开展粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在上述不同表面形态下的PFC2D数值模拟直剪试验，法向应力为1MPa。图3-8为粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在不同表面形态下的剪切应力-位移曲线。在平直状、15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状表面形态下，粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的抗剪强度分别为1.49MPa、1.58MPa、2.23MPa和2.47MPa。结果表明，粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的抗剪强度随表面粗糙度的增加而增大，同时，剪切刚度也随着表面粗糙度的增加而增加。

3.2.3.3　法向应力的影响及其规律

分别开展不同法向应力(0.5MPa、1MPa、2MPa)条件下粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在平直状、15°锯齿状、30°锯齿状、45°锯齿状表面形态下的数值直剪试验。图3-9为粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在不同的法向应力下平直状表面形态的剪切应力-位移曲线。在0.5MPa、1MPa和2MPa不同法向应力下，粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的抗剪强度分别为0.74MPa、1.59MPa和2.73MPa。表3-4给出了不同法向应力下不同表面形态的粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面峰值抗剪强度数值。从上述数据可以得出，粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在平直状表面形态下，正应力愈大，抗剪强度也愈大。15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状表面形态下的抗剪强度也随着正应力的增大而增大。当法向应力为0.5MPa时，即法向应力相对较小时，不同锯齿状表面形态模型异性层面的抗剪强度差异较小;当法向应力为2MPa时，即法向应力相对较大时，不同锯齿状表面形态模型异性层面的抗剪强度差异较大。

图3-9　不同法向应力下平直状表面形态的粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面的剪切应力-位移曲线

表3-4　不同法向应力下粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面抗剪强度

3.2.3.4壁岩组合的影响及其规律

异性层面区别于普通结构面的重要特征在于其两侧壁岩性质不同，本节研究壁岩组合特征对异性层面剪切性质的影响规律。定义K为壁岩组合系数，即异性层面两侧壁岩单轴抗压强度之比，令K＞1。开展异性层面数值模拟直剪试验，其中结构面上侧壁岩为软岩，参数均按巴东组典型粉砂质泥岩细观参数取值(表3-2);结构面下侧壁岩为硬岩，参数按壁岩组合系数K计算并通过反演取值。

图3-10是不同壁岩组合系数K下异性层面在法向应力为1MPa 下剪切应力-位移图，从图中可以看出，随着壁岩组合系数K值的增大，峰值抗剪强度随之增大，剪切刚度也随之增大。令软岩同性层面的抗剪强度为τs，异性层面的抗剪强度为τi。在横坐标为K、纵坐标为τi/τs的坐标系中标出6个点，利用matlab软件进行曲线拟合，得到τi/τs与K的关系表达式和拟合优度系数R2，拟合效果如图3-11所示。再分别开展不同壁岩组合系数K异性层面在法向应力为2MPa和4MPa时的模拟试验。同样进行统计分析得到τi/τs与K的关系表达式和拟合优度系数R2，如图3-12和图3-13所示。

图3-10　不同壁岩组合系数的异性层面剪切应力-位移曲线(σn=1MPa)

从图3-11至图3-13可得出:①随着K值的逐渐增大，τi/τs也随之增大，K值和τi/τs呈正相关关系;②τi/τs在K值增大的开始阶段上升较快，随着K值变大，上升减慢，即K和τi/τs曲线的斜率逐渐变小;③随着法向应力的增大，K和τi/τs曲线指数型函数特征越明显。

以K为x轴、σn为y轴、τi/τs为z轴建立三维坐标点。拟合以K和σn为未知量的二元函数，选取拟合效果最好的三维模型，得到异性层面与软岩同性结构面的抗剪强度之比τi/ τs与K、法向应力σn的关系表达式为:

图3-11　τi/τs与K关系的拟合曲线(σn=1MPa)

图3-12　τi/τs与K关系的拟合曲线(σn=2MPa)

试验数据及拟合曲面如图3-14所示。其拟合优度系数R2为0.9687，表明拟合效果较好。式(3-1)给出τi/τs和K、法向应力σn的数学关系。当已知异性层面两侧岩体的壁岩组合系数K、剪切试验的法向应力σn，就可以得出异性层面与软岩同性结构面的抗剪强度之比τi/τs，即可根据软岩同性层面的抗剪强度估算异性层面的抗剪强度。通过式(3-1)，更好地揭示了壁岩组合和法向应力在异性层面剪切过程中的交互作用规律。

图3-13　τi/τs与K关系的拟合曲线(σn=4MPa)

图3-14　τi/τs和K、σn关系的拟合曲面