《岩石结构面损伤规律与动力剪切特性》主要论述岩石结构面损伤规律与动力剪切特性，《岩石结构面损伤规律与动力剪切特性》共10章，围绕两个核心问题展开。**，不同类型的岩石结构面剪切损伤规律及其与宏观力学性质的联系。主要包括：充填结构面剪切力学行为与损伤规律、基于声发射监测的结构面损伤特性与预估模型、粗糙花岗岩结构面的剪切特性和表面细观微损伤、锯切和劈裂花岗岩结构面剪切行为与岩壁损伤特征、花岗岩矿物粒径对粗糙结构面滑移特征和损伤特性的影响等。第二，动力荷载作用下岩石结构面的力学性质及其滑移特性分析。主要包括：高应力下花岗岩结构面剪切破坏的率效应、粗糙结构面的冲击剪切强度特性及其变形特征、低频扰动荷载下花岗岩结构面的活化滑移行为等内容。

第1章 绪论
　　1.1 引言
　　为了适应我国国民经济快速发展的需要，“西电东输”“南水北调”“西部大开发”等国家战略相继实施，带动了基础工程建设和资源开发快速蓬勃发展，出现了众多规模宏大的岩体工程。在水利水电工程领域，我国有20多个***的大型水利水电工程正在或即将兴建，这些工程大多位于西部地区且地形和地质条件极端复杂的高山峡谷地段，形成了大量的高陡岩质边坡和大尺度深埋水工隧洞，如锦屏一级水电站边坡总开挖高度达470m，锦屏二级水电站包括7条单洞长约17km，*大埋深超过2500m的隧洞[1]。据统计，在采矿工程领域，我国矿井开采深度平均每年以8～10m的速度递增，每年需掘进数十万米的巷道[2]。在交通工程领域，早在2015年底全国高速公路通车总里程就已经达12.3万km，居世界**[3]；高铁营业里程超过1.9万km，居世界**。受复杂地形影响，公路或铁路在修建过程中往往需要穿山凿洞、切削边坡，修建大量隧道和边坡工程。可见，岩体工程涉及领域范围广阔、建设规模宏大且赋存环境复杂，给施工带来前所未有的难度。
　　岩体是在各种复杂地质作用及漫长地质演化过程中形成的复杂结构，具有明显的不连续特征，岩质边坡和地下隧道的围岩中往往分布有数量众多、规模各异的层理、断层等软弱结构面。岩体结构面的存在极易引发严重的工程地质灾害，例如，坝基渗透、滑坡、山体崩塌、隧洞围岩失稳破坏及结构面型岩爆等。对于岩体结构面，一方面，空隙内部常被软泥、黏土、沙砾、岩石碎屑物等填充，形成充填结构面，其力学特性受软弱夹层的控制[4]。充填结构面的力学特性与无充填时具有显著差异，其中*大特点表现为剪切强度低、剪切刚度小、变形能力强、渗透性高等。另一方面，深部岩体结构面处于相对干净的闭合状态，结构面之间不含充填物，其剪切力学特性和剪切损伤特征很大程度上由结构面粗糙度控制。对于深部地下洞室(巷道、隧道、引水隧洞等)而言，含结构面的岩体在满足一定的岩性条件和应力条件时，结构面的突然错动滑移会诱发结构面型岩爆，造成小规模地震等工程灾害。例如，2009年11月28日，锦屏二级电站施工排水洞突发极强型结构面岩爆，事故造成7死1伤和近亿元的隧道盾构机(TBM)被毁，微震监测到该事件的里氏震级为2级[1]，本次极强结构面型岩爆是由一条长约7m、倾角40.～50.的硬性结构面滑移错动引起的(如图1.1所示)。由上述工程案例可知，岩体结构面广泛存在于国家重大工程建设中，并严重制约着工程的建设，威胁着人们的生命安全。无论是小尺度上的矿震、岩爆等形式，还是大尺度上的地震、岩坡断层滑移等形式，其致灾的力学本质都是岩体剪切滑移失稳破坏。
　　图1.1 2009年11月28日锦屏二级电站施工排水洞极强岩爆形成的“V”形破坏区及其暴露的硬性结构面[1，5]
　　另外，深部岩体典型的“三高”赋存环境和附加“扰动”属性为深部工程建设同样带来了巨大挑战。在交通工程领域，铁路工程沿线活跃断层的滑移、大埋深隧道建设中的开挖爆破以及可能发生的地震和冲击地压等都会对岩体工程中广泛存在的结构面造成扰动作用。在水利水电工程中，水电站建设过程中的爆破开挖以及水电站引水隧道开挖过程中发生的岩爆也会对结构面造成扰动。在采矿工程领域，采掘活动诱发产生的岩爆、冲击地压、顶板垮落和矿震等扰动影响着周围岩体的力学性质。另外，地震作为分布广泛、危害性大的地质灾害，在强震发生时对已有地下隧道和厂房等同样产生强烈扰动作用。地质工程中常见的扰动作用示意图如图1.2所示。随着类似扰动行为的增多，越来越多的结构面处于扰动环境中，并影响其剪切力学特性。
　　可见，岩体结构面不仅在静力荷载作用下导致剪切损伤破坏、诱发岩体工程灾害，在动力与静力荷载耦合作用下的损伤破坏同样威胁着岩体工程的稳定性及施工的安全性。结构面的剪切力学性质受表面粗糙度、充填情况、剪切历史及应力状态等众多因素的影响。上述因素不仅控制着结构面的剪切力学性质，还影响着结构面的滑移特征及结构面表面起伏体的损伤状态。因此，一方面，研究岩体结构面在复杂地质环境和应力条件下的力学特性，阐明不同地质因素和应力水平对岩体结构面力学特性的影响，对揭示由结构面控制的岩体工程灾害的孕育诱发机理，对岩体工程灾害的预警预报及防治，以及保障施工人员的生命安全，具有重要的理论意义和工程意义。另一方面，岩体结构面的损伤状态在一定程度上与其表面的损伤情况密切相关。量化分析结构面在剪切过程中和剪切后的宏细观损伤情况，确定结构面的主要损伤区域，建立结构面损伤与力学性质的对应关系，对全面揭示结构面的剪切力学机制及损伤演化过程具有重要的指导意义。
　　图1.2 地质工程中常见的扰动作用示意图
　　1.2 充填结构面剪切力学特性研究进展
　　由于天然结构面受风化、溶蚀和水流冲刷等作用影响，其内部往往含有各类充填物(如图1.3所示)，由于充填物的存在，充填结构面较无充填结构面的力学性质发生了显著变化。充填结构面的力学行为和剪切强度除了受法向压力、剪切速率、岩壁强度和结构面表面起伏特征影响外，还受充填物种类、成分、厚度、物理状态(含水率、颗粒粒径)等众多参数影响。结构面的充填物质主要包括黏土质、砂质、角砾、钙质、石膏质和含水蚀变物等[6]，充填结构面的力学性质更加复杂，但由于其具有较低的剪切强度，岩体结构更易沿着充填弱面发生剪切破坏。因此，对充填结构面力学性质、抗剪强度的研究尤为重要，而研究人员对充填结构面的研究远不及无充填结构面深入。目前，对于充填结构面剪切力学性质及其损伤特征的研究主要集中在实验室剪切试验方面。
　　图1.3 工程岩体充填结构面的现场赋存形式
　　在充填物厚度对结构面剪切力学特性的影响研究方面，Goodman[8]在人造锯齿结构面上放入不同厚度的碎云母充填物进行剪切试验，较详细地说明了充填度的力学效应。Xu和Freitas[9]发现充填厚度达到临界值前，充填结构面峰值强度对应的剪切位移随充填厚度的增加而增加，之后，在发生较小剪切位移时充填结构面即可达到峰值强度。Papaliangas等[10]通过对充填粉煤灰的类岩石结构面开展直剪试验，发现充填厚度较薄时，较小的剪切位移可达到峰值强度，并且峰值强度*线中存在明显的峰值点。中等充填厚度时峰值强度变得不明显，且经过很大的剪切位移才能达到。Xu等[11]通过现场原位试验分析了石灰岩泥质充填结构面的剪切力学性质，并认为当充填厚度大于粗糙度幅值时，不连续面的抗剪强度受充填体强度支配，且充填物的黏聚力不可忽略。Wu等[7]根据软弱夹层充填条件的不同，发现了两种不同的充填结构面剪切破坏模式：充填厚度较厚时，弱夹层内发生剪切破坏(如图1.4(a)所示)；充填厚度较薄时，出现凹凸体咬合破坏与弱夹层剪切破坏的耦合效应(如图1.4(b)所示)。Luo等[12]采用直剪仪对不同充填厚度的弱夹层岩石结构面进行了多级正应力下的抗剪强度试验。发现软弱夹层结构面的峰值抗剪强度随着充填厚度的增加先减小后趋于稳定。随着弱夹层充填厚度由小到大，锯齿状结构面从剪胀模式转化为剪缩模式。郭志[13]以黏土作为充填物，研究了结构面夹泥层厚度的力学效应，发现当夹泥层厚度h大于或等于结构面的起伏差H时，抗剪强度值完全由夹泥本身的力学作用控制；当h＜H时，摩擦系数随夹泥层厚度增大而减小。Tian等[14]和She等[15]建立了剪切强度模型来预测水泥充填结构面的剪切强度，并对不同的充填厚度进行了讨论，建立了分段函数表达式。
　　图1.4 充填结构面的剪切破坏模式[7]
　　在充填物类型对结构面剪切力学特性的影响研究方面，Ladanyi和Archambault[16]在混凝土制作的规则锯齿状结构面之间填充高岭黏土和砂质粉土，研究了不同充填厚度对结构面强度的影响，认为起伏体越陡峭、充填厚度越小，充填结构面的剪切强度越高。Ehrle[17]利用环氧树脂和固化剂的混合物模拟岩石，用砂子、高岭土、重晶石和石膏作为充填材料，发现充填材料降低了结构面的内摩擦角，但增加了结构面的黏聚力。Zhao等[18]将结构面二维粗糙剖面线复制到类岩石材料上，对砂和黏土充填岩体结构面进行直剪试验，发现在相同正应力条件下，无填充结构面的抗剪强度*大，砂填充结构面次之，黏土填充结构面*小。李鹏和刘建[19]采用配制的膨润土、砂岩岩屑型充填物，研究了砂岩结构面的剪切蠕变特性，发现在相同的应力下砂岩结构面蠕变变形随充填物含水率的增加而增加，蠕变速率显著加快。许江等[20.22]开展了充填物的性质对结构面剪切特性的影响分析，发现充填结构面的峰值剪切应力和法向位移从充填石膏、岩屑到黄泥依次递减。无充填结构面剪切后表面发生明显磨损，充填结构面的磨损情况与充填物的性质密切相关，含不同充填物结构面的剪切破坏模式如图1.5所示。Zhao等[23]在结构面内部放置不同含水率的黏粒充填体，进行一系列直剪试验，发现充填体含水量对粗糙岩体结构面抗剪强度的影响与充填体厚度的影响一样显著。
　　图1.5 不同充填物结构面剪切试验后的表面破损形貌图
　　在结构面粗糙度对充填结构面剪切力学特性的影响研究方面，Kutter等[24]发现黏土充填的结构面强度随结构面粗糙程度增大而变大，但砂粒充填的结构面强度受结构面粗糙程度的影响较小。Jahanian和Sadoghiati[25]研究了两种不同起伏角度的锯齿形结构面被不同厚度的砂质黏土充填时，其正向剪切和逆向剪切的强度存在差异，发现低法向应力时充填物起更大作用，而高应力时起伏体发挥更大作用；小起伏角度的结构面正向剪切时的强度大于反向剪切强度，而大起伏角度的结构面则相反。Mirzaghorbanali等[26]研究了两种不同起伏角度的锯齿形结构面充填有不同厚度的黏质砂土在循环剪切荷载作用下的力学特性。范文臣等[27]采用云母片作为充填材料，研究了不同压剪比作用下结构面倾角对类岩石材料充填结构面破坏模式的影响。魏继红等[28]采用钢制模具和混凝土材料预制不同起伏角度的结构面，研究了重复剪切作用下充填物对结构面变形和强度的影响。发现充填物的存在基本不会改变结构面的剪切破坏方式，但会使剪切过程中结构面的爬坡效应增强，使结构面被剪断或磨损的作用减弱，峰值法向位移增大。
　　在充填结构面的数值模拟研究方面，Saadat和Taheri[29]提出了一个新的黏性本构模型，并将其应用于离散元法(DEM)模拟中，对充填岩体结构面的破坏机理进行了数值分析。Shrivastava和Rao[30]等对不同粗糙度的充填岩石结构面进行了模拟试验研究，试验结果表明，恒法向荷载和恒法向刚度条件下，抗剪强度均随充填比的增大而减小，但恒法向荷载条件下抗剪强度的减小幅度大于恒法向刚度条件下。徐磊和任青文[31]应用数值直剪试验研究了充填度与充填结构面抗剪强度之间的关系。Wang等[32]利用FLAC-3D有限差分软件对充填结构面进行了恒法向刚度条件下的直剪试验，发现充填结构面的抗剪强度随着起伏角的增大和充填比的减小而增大；数值分析方法也能够量化多因素(初始正应力和填充比)对填充结构面剪切特性的影响。Cheng等[33]使用离散元程序PFC-2D模拟变粗糙度和砂体充填厚度下岩石结构面的剪切行为，发现峰值抗剪强度随厚度比的减小呈双*函数关系，同时测量了剪切过程中结构面的渗透率演化，发现填充结构面的渗透率随厚度比和粗糙度(JRC)的增大而增大。
　　由上述研究可知，研究者大多采用砂浆、石膏等类岩石材料制作的锯齿形结构面而非具有天然形貌的粗糙结构面作为研究对象，虽然锯齿形结构面制作简单方便且可以保证每次试验结构面形貌特征的一致性，但由于天然结构面三维形貌特征更加复杂，充填结构面的剪切破坏机理往往受其三维形貌特征的影响；研究所采用的充填物主要集中在黏土质(砂质黏土、高岭土、石膏、不同含水率的湿土)充填物上，对于角砾、岩石碎屑等颗粒状充填物缺乏相关研究。并且，前述的研究中，对于充填结构面的损伤分析大多局限于剪切试验后结构面上下盘之间的摩擦破坏，缺少剪切过

目录
前言
第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2 充填结构面剪切力学特性研究进展3
1.3 岩石结构面损伤演化规律研究进展7
1.3.1 拍照与结构面形貌扫描法8
1.3.2 数值模拟与模型解析法10
1.3.3 声发射实时监测法12
1.4 岩石结构面动力剪切特性研究进展13
1.4.1 不同剪切速率下的结构面剪切特性13
1.4.2 循环剪切荷载对结构面剪切特性的影响16
1.4.3 高加载速率下结构面剪切力学特性17
1.5 扰动诱发岩体动力破坏研究进展18
1.5.1 扰动荷载对完整岩石力学性质的影响18
1.5.2 扰动荷载作用下岩体结构面的力学性质20
1.6 目前研究中存在的问题21
1.7 研究技术路线23
第2章 充填结构面剪切力学行为与声发射规律24
2.1 引言24
2.2 试验材料和试样制备24
2.3 含不同充填物的结构面剪切力学特性26
2.3.1 不同法向应力下无充填结构面的抗剪强度特性26
2.3.2 剪切历史及充填物对结构面剪切行为的影响28
2.3.3 剪切历史对充填结构面剪切行为的影响32
2.4 含不同充填物的结构面剪切声发射特性36
2.4.1 不同剪切变形历史下的未充填结构面的声发射信号36
2.4.2 相同法向应力下不同充填物的声发射信号38
2.4.3 不同剪切变形历史下充填结构面的声发射特征40
2.5 主要结论44
第3章 基于声发射监测的结构面表面损伤特性与模型46
3.1 引言46
3.2 试样制备和试验方法46
3.3 剪切应力与声发射特征47
3.3.1 剪切应力-剪切位移*线47
3.3.2 声发射参数随剪切应力的变化48
3.3.3 声发射参数随法向应力的变化49
3.4 结构面起伏体损伤特性与模型51
3.4.1 基于声发射事件的起伏体损伤特性51
3.4.2 岩石结构面起伏体损伤模型55
3.4.3 砂浆结构面试验结果与花岗岩结构面的对比58
3.5 主要结论62
第4章 粗糙花岗岩结构面的剪切特性和表面细观微损伤63
4.1 引言63
4.2 试验过程与方法63
4.2.1 试样准备63
4.2.2 试验方案64
4.2.3 剪切后结构面细观结构分析65
4.3 结构面剪切力学行为分析66
4.4 宏观破坏模式和断层泥特征69
4.5 扫描电子显微镜下的细观损伤特征71
4.5.1 剪切试验前结构面的特征71
4.5.2 剪切试验后的表面细观特征71
4.5.3 裂纹开度随应力水平的演化75
4.5.4 断层表面的细观特征总结76
4.6 基于岩石薄片的细观损伤特征76
4.7 结果讨论78
4.8 主要结论79
第5章 锯切和劈裂花岗岩结构面剪切行为与岩壁内损伤特征80
5.1 引言80
5.2 试样制备和试验方法80
5.3 结构面剪切力学特性83
5.3.1 锯切平面结构面83
5.3.2 劈裂粗糙结构面84
5.3.3 峰值强度和残余强度比较86
5.4 结构面剪切前后粗糙度的变化87
5.5 结构面岩壁内破裂损伤特征87
5.5.1 锯切平面结构面损伤特征89
5.5.2 劈裂粗糙结构面损伤特征92
5.6 结果讨论96
5.6.1 平面和粗糙结构面岩壁内的细观损伤96
5.6.2 结构面粗糙度对黏滑的影响96
5.6.3 摩擦行为和结构面损伤的应力相关性97
5.7 主要结论99
第6章 花岗岩矿物粒径对粗糙结构面滑移特征和损伤特性的影响101
6.1 引言101
6.2 试验方法101
6.2.1 试验材料101
6.2.2 试样制备102
6.2.3 试验步骤103
6.2.4 损伤分析103
6.3 试验结果103
6.3.1 细粒和粗粒花岗岩的基本力学特性103
6.3.2 矿物粒径对劈裂结构面粗糙度的影响104
6.3.3 不同粒径花岗岩结构面的剪切行为104
6.3.4 细粒和粗粒花岗岩结构面的微观损伤特征108
6.4 结果讨论110
6.4.1 矿物粒径对劈裂结构面粗糙度的影响110
6.4.2 矿物粒径对动态滑移特征的影响112
6.4.3 矿物粒径对结构面损伤的影响113
6.5 主要结论115
第7章 高应力下花岗岩结构面剪切破坏的率效应116
7.1 引言116
7.2 试验方案116
7.3 剪切速率对剪切应力特性的影响118
7.3.1 剪切应力-剪切位移*线119
7.3.2 不同剪切速率下结构面的峰后剪切特性120
7.3.3 不同剪切速率下结构面的破坏模式122
7.4 剪切速率对声发射特性的影响125
7.4.1 声发射参数随剪切速率的变化规律125
7.4.2 剪切速率对声发射b值的影响130
7.5 结果讨论132
7.6 主要结论133
第8章 粗糙结构面的冲击剪切强度特性135
8.1 引言135
8.2 试样准备及试验系统135
8.3 冲击荷载下粗糙结构面的抗剪强度特性141
8.3.1 粗糙度对冲击剪切强度的影响141
8.3.2 加载率对冲击剪切强度的影响144
8.3.3 法向荷载对冲击剪切强度的影响145
8.4 抗剪强度参数的率效应分析146
8.5 冲击抗剪强度准则的建立与验证148
8.6 冲击剪切损伤本构的建立与验证151
8.6.1 基于微元强度随机分布的损伤本构151
8.6.2 冲击剪切统计损伤本构的建立152
8.6.3 冲击剪切统计损伤本构的验证154
8.7 主要结论155
第9章 粗糙结构面的冲击剪切变形特征157
9.1 引言157
9.2 试验系统和试验方法157
9.2.1 试验系统及其工作原理157
9.2.2 试验方法和试验方案159
9.3 粗糙度对结构面冲击剪切变形的影响160
9.3.1 滑移位移和滑移速度160
9.3.2 法向变形163
9.4 冲击剪切速率对结构面剪切变形的影响165
9.4.1 滑移位移165
9.4.2 滑移速度和加速度169
9.5 法向荷载对结构面冲击剪切变形的影响170
9.5.1 滑移位移170
9.5.2 滑移速度和加速度172
9.6 滑移破坏模式分析与细观损伤174
9.7 主要结论177
第10章 扰动荷载下结构面的剪切滑移特性研究179
10.1 引言179
10.2 试样制备及测试方案179
10.3 常规三轴静荷载下结构面剪切滑移分析181
10.3.1 应力-应变*线特征181
10.3.2 常规三轴剪切试验的破坏特征182
10.4 扰动荷载下的结构面剪切滑移分析183
10.4.1 轴向静应力水平对结构面剪切滑移的影响183
10.4.2 扰动频率对结构面剪切滑移的影响186
10.4.3 扰动幅值对结构面剪切滑移的影响190
10.5 扰动荷载下结构面的损伤分析193
10.5.1 循环扰动条件下结构面的宏观损伤特性193
10.5.2 试验后结构面的微观结构分析195
10.6 主要结论197
参考文献198