为开展不同表面形态下的结构面相似材料模型试验，采用可拆卸的结构面相似材料模型制样模具进行制样。将制作好的结构面进行标准养护后，再根据标准试验操作流程采用中国地质大学(武汉)工程学院岩石力学实验室XJ-2型直剪仪开展结构面剪切特性研究。
3.3.4.1 平直同性结构面剪切特性
利用材料1的配比制作了一组软岩平直同性结构面，利用材料2的配比制作了一组硬岩平直同性结构面，结构面试样如图3-33所示。
图3-33 平直同性结构面剪切试样
各组试样直剪试验结果如图3-34、图3-35所示。图3-34(a)给出了基于材料1配比制作的平直同性结构面剪切应力-位移关系曲线，图3-34(b)为基于材料1配比制作的平直同性结构面抗剪强度-法向应力关系曲线，采用回归分析得到该组结构面的粘聚力为0.0079MPa、内摩擦角为26.0°。图3-35(a)给出了基于材料2配比制作的平直同性结构面剪切应力-位移关系曲线，图3-35(b)为基于材料2配比制作的平直同性结构面抗剪强度-法向应力关系曲线，采用回归分析得到该组结构面的粘聚力为0.0048MPa、内摩擦角为34.1°。由于材料1和材料2强度呈递增关系，所以上述结果表明，随着结构面壁岩强度的增加，结构面内摩擦角有所增加，而粘聚力无明显规律。
图3-34 平直同性结构面相似材料直剪试验结果(材料1)
图3-35 平直同性结构面相似材料直剪试验结果(材料2)
3.3.4.2 不同表面形态异性结构面剪切特性
为了研究巴东组粉砂质泥岩和泥灰岩间异性结构面的剪切性质，利用材料1配比模拟软岩、材料2配比模拟硬岩，分别制作平直状、15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状4组异性结构面相似材料模型，开展结构面剪切特性研究。
首先开展平直异性结构面剪切特性研究，分别在法向应力为0.18MPa、0.36MPa和0.54MPa条件下开展直剪试验，图3-36(a)为不同法向应力下基于材料1和材料2配比制作的平直异性结构面剪切应力-位移关系曲线，图3-36(b)为基于材料1和材料2配比制作的平直异性结构面抗剪强度-法向应力关系曲线，采用回归分析得到该组结构面的粘聚力为0.0156MPa、内摩擦角为30.1°。与平直同性结构面剪切试验结果对比可知，异性结构面的残余内摩擦角数值介于软岩同性结构面和硬岩同性结构面残余内摩擦角之间。
图3-36 平直异性结构面相似材料直剪试验结果
在法向应力为0.18MPa的条件下，分别开展了15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状异性结构面直剪试验，得到不同表面形态异性结构面的应力-应变关系曲线。如图3-37所示，平直状、15°锯齿状、30°锯齿状和45°锯齿状异性结构面的峰值抗剪强度分别为0.12MPa、 0.19MPa、0.33MPa和0.69MPa，从剪切应力-位移关系曲线可以看出，其中30°锯齿状和45°锯齿状异性结构面曲线达到峰值后出现明显的骤降，说明发生了脆性破坏。
图3-37 不同表面形态异性结构面相似材料直剪试验结果(法向应力为0.18MPa)
3.3.4.3 不同表面形态异性结构面破坏机理
图3-38 15°锯齿状异性结构面剪切破坏过程(法向应力为0.18MPa)
在研究不同表面形态异性结构面应力-应变关系的同时，分析了异性结构面的变形破坏过程。图3-38给出了15°锯齿状异性结构面剪切破坏过程，图3-38(a)为初始状态结构面，上部施加法向应力，结构面下盘为硬岩，上盘为软岩，下盘固定，顶部施加法向应力，上盘向右剪切;当剪切位移为4.4mm时，出现爬坡现象，下盘硬岩在受压接触面开始出现小裂纹，如图3-38(b)所示;当剪切位移为6.2mm时，上盘向上爬坡幅度增大，前述裂纹扩展明显，其他部位未出现裂纹，如图3-38(c)所示;当剪切位移为8.0mm时，裂纹向侧边界扩展并贯通，试样破坏，如图3-38(d)所示。图3-39给出了30°锯齿状异性结构面剪切破坏过程，图3-39(a)为初始状态结构面，上部施加法向应力，结构面下盘为硬岩，上盘为软岩，下盘固定，顶部施加法向应力，上盘向右剪切;当剪切位移为5.2mm时，出现爬坡现象，上盘软岩在受压接触面开始出现多条小裂纹，如图3-39(b)所示;当剪切位移为6.4mm时，上盘向上爬坡幅度有所增加，上盘软岩中的裂纹继续向上扩展，并伴有下盘硬岩有新的裂纹产生，如图3-39(c)所示;图3-39(d)为破坏状态，上盘软岩中的裂纹发生贯通，试样破坏。图3-40为45°锯齿状异性结构面剪切破坏过程，图3-40(a)为初始状态结构面，上部施加法向应力，结构面下盘为硬岩，上盘为软岩，下盘固定，顶部施加法向应力，上盘向右剪切;当剪切位移为5.0mm时，出现爬坡现象，上盘软岩在受压接触面开始出现多条小裂纹，如图3-40(b)所示;当剪切位移为5.8mm时，上盘向上爬坡幅度继续增加，上盘软岩中的裂纹继续向上扩展，上部软岩4个锯齿附近均出现剪切裂纹，如图3-41(c)所示;图3-40(d)为破坏状态，上盘软岩中的剪切裂纹发生贯通，锯齿被剪断，破坏后的照片如图3-41所示。
图3-39 30°锯齿状异性结构面剪切破坏过程(法向应力为0.18MPa)
图3-40 45°锯齿状异性结构面剪切破坏过程(法向应力为0.18MPa)
图3-41 45°锯齿状异性结构面破坏后照片
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