1、DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.12.004收稿日期：2022-10-14基金项目：广东省重点领域研发计划（2020B0101130009）；广东省城市感知与监测预警企业重点实验室基金项目（2020B121202019）；广州市城市规划勘测设计研究院科技基金项目（RDI2210204146、RDP2220204022、RDI2220204031、RDI2220204125）作者简介：易 鑫（1994-），男，湖南长沙人，助理工程师，硕士，主要从事岩土工程勘测设计、地质灾害防治，E-mail：。图1不同粗糙度异性结构面数值模型（a）JRC=3.59（b）JRC
2、=6.75（c）JRC=10.02不同粗糙度异性结构面剪切强度劣化规律数值研究易鑫（广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510030）摘要：自三峡水库试验性蓄水以来，库水位每年都在防洪水位145 m和蓄水发电水位175 m之间交替地升降变化，库水位周期性升降使库岸消落带范围内的软硬互层岩体长期处于干湿循环的状态。沿异性结构面的滑动破坏容易导致岩体失稳，进而导致滑坡等地质灾害发生。因此，以易滑岩组中泥岩与砂岩间的异性结构面为研究对象，开展了干湿循环作用下异性结构面剪切数值试验，揭示出粗糙度对异性结构面剪切强度劣化的影响机制。关键词：异性结构面；干湿循环；粗糙度；剪切强度；劣化中图分类号：P
3、64文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）12-0016-03第 58 卷 第 12 期2022 年 12 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.12Dec.，20221前言三峡水库自 2010 年第一次达到正常蓄水位175 m以来，库水位每年均在防洪水位145 m以及正常蓄水位175 m之间交替地升降变化，从而产生了一个30 m高的库岸消落带。库水位周期性升降变化使库岸消落带范围内的软硬互层岩体长期处于干湿循环的状态，使消落带岩体处于疲劳损伤状态，这种劣化损伤是逐步累积
4、且不可逆转的1，导致岩体强度降低，不利于库岸边坡的长久稳定2-4。2模型的建立借助3DEC软件建立三种不同粗糙度（粗糙度系数JRC分别为3.59、6.75和10.02）的结构面模型进行直剪试验模拟，异性结构面上侧、下侧块体分别代表泥岩和砂岩，通过给块体材料的力学参数赋值实现不同岩性的区别，数值模型如图1所示。3JRC的计算野外采集天然不同粗糙度的异性结构面试样，采样地点位于湖北省巴东县新县城长江北侧岸坡开挖处，该处岸坡岩体属于三峡库区典型软硬互层岩组。使用岩石切割机把岩样加工成长度和宽度均为7 cm，高度为5 cm的立方体，并使用JS654N型三维激光扫描仪（图2）对其进行三维激光扫描，可16
5、以得到天然结构面的表面形貌点云数据，采样数据间隔设置为0.1 mm。三维激光扫描技术可以将天然结构面的表面形貌特征数字化，形成一个由一系列具有x、y和z坐标的点组成的三维网格。对于结构面粗糙度系数的测定，传统的方法是，通过比较巴顿提出的10条标准粗糙度剖面线来估算JRC值。但是，通过视觉感官上近似比较的方法具有较大的主观性，并且单条剖面线也不能反映整个结构面的表面形貌特征，所以误差较大。SANEI等5提出了基于一种改进分形法计算分形维数的方法，用来计算结构面粗糙度。作者参照此方法，在计算JRC时，沿剪切方向等间距选取了20条结构面剖面线（图3），并对20条剖面线的JRC取平均值，得到整个结构面
6、的JRC值。该计算过程通过Matlab软件进行编程实现，使繁杂且计算量大的计算过程简单化。4边界条件及加载方式数值模型建立后，固定模型下部岩块，在模型上部岩块顶面施加法向应力（0.15 MPa、0.30 MPa、0.45 MPa和0.60 MPa），方向垂直向下。施加应力一定时间后，在模型上部岩块的左右边界面同时加载一个朝x轴负值方向的速度，考虑数值的准确性与计算的效率，选取加载速率为0.05 m/s。在整个加载的进程中，记录剪应力-应变数据。其中，剪应力采用3DEC软件内嵌的Fish语言编写程序进行监测，应变则是上部岩块单元在x轴负值方向上移动的距离。5强度参数基于前期其他干湿循环作用下泥岩
7、和砂岩强度参数劣化试验结果等，得到相关结构面强度参数，如表1所列。通过室内试验及计算得到：砂岩的密度是2 630.28kg/m3，体积模量和剪切模量分别是10.67GPa和8.17GPa；泥岩的密度是2604.32kg/m3，体积模量和剪切模量分别是5.59GPa和3.11GPa；结构面的法向刚度和剪切刚度分别是5.20GPa/m和0.68GPa/m。在此基础上，假设变形参数保持不变，结构面的黏聚力很小（0MPa）。图2JS654N型三维激光扫描仪图3结构面剖面线示意图0.000z0.0040.0020.000.060.050.040.030.020.01y0.07x0.000.010.020
8、.030.040.050.06剪切方向类别泥岩砂岩结构面强度参数c/MPa/（）t/MPac/MPa/（）t/MPaj/（）干湿循环0次5.5141.802.7417.4652.395.3333.98干湿循环1次3.9336.532.5814.4950.123.7832.55干湿循环3次3.4733.731.9512.9147.153.5531.26干湿循环6次3.1531.601.4611.7144.713.3830.20干湿循环10次2.8929.881.0910.7442.773.2629.72干湿循环15次2.6828.430.809.9241.183.1629.12表1不同干湿循环次
9、数下的泥岩、砂岩、结构面强度参数第12期易 鑫：不同粗糙度异性结构面剪切强度劣化规律数值研究第58卷176模拟结果通过不同工况下的剪切试验数值模拟，得到不同法向应力下不同粗糙度异性结构面剪应力-干湿循环次数关系曲线，如图4所示。7结论（1）在相同法向应力下，结构面峰值剪切强度随着干湿循环次数的增加而表现为非线性减小，说明干湿循环对结构面的剪切强度有劣化作用。（2）干湿循环0次至1次时，峰值剪切强度下降最明显，随着干湿循环次数的增加，峰值剪切强度的劣化速度逐渐减小，结构面剪切强度逐渐趋近于一个稳定值。（3）前6次干湿循环下剪切强度的劣化幅度占总劣化值的72%以上，说明干湿循环对结构面抗剪强度的劣
10、化作用主要集中在前6次，并且法向应力以及结构面粗糙度越大，抗剪强度的劣化程度与劣化速度也越大。参考文献：1徐千军，陆杨.干湿交替对边坡长期安全性的影响J.地下空间与工程学报，2005，25（增刊1）：1021-1024.2王永新.水-岩相互作用机理及其对库岸边坡稳定性影响的研究D.重庆：重庆大学，2006.3王士天，刘汉超，张倬元，等.大型水域水岩相互作用及其环境效应研究J.地质灾害与环境保护，1997，8（1）：69-88.4王思敬，马凤山，杜永廉.水库地区的水岩作用及其地质环境影响J.工程地质学报，1996，4（3）：1-9.5SANEI M，FARAMARZI L，FAHIMIFAR A
11、，et al.Shearstrength of discontinuities in sedimentary rock massesbased on direct shear testsJ.International Journal of RockMechanics and Mining Sciences，2015，75（1）：119-131.图4不同法向应力下不同粗糙度异性结构面剪应力-干湿循环次数关系曲线（d）法向应力为0.60 MPa（a）法向应力为0.15 MPa（b）法向应力为0.30 MPa0.80.70.60.50.40.30.20.10.00246810121416干湿循环次数/次剪切强度/MPa3.596.7510.02JRC0.80.70.60.50.40.30.20.10.00246810121416干湿循环次数/次剪切强度/MPa3.596.7510.02JRC0.80.70.60.50.40.30.20.10.00246810121416干湿循环次数/次剪切强度/MPa3.596.7510.02JRC0.80.70.60.50.40.30.20.10.00246810121416干湿循环次数/次剪切强度/MPa3.596.7510.02JRC（c）法向应力为0.45 MPa2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷18
