充填岩石节理剪切力学特性及强度经验公式研究

高福洲; 张俊云; 罗晓龙; 翟恪祥; 张乐; 黄锐; 武小菲

doi:10.11779/CJGE20231194

充填岩石节理剪切力学特性及强度经验公式研究 English Version

高福洲^1,,
张俊云^1, ,,
罗晓龙¹,
翟恪祥¹,
张乐²,
黄锐^{1, 2},
武小菲¹

1.
西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031
2.
四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610041

基金项目:

四川省交通运输科技项目 2021-A-02

四川省科技计划项目 2021YFS0321

详细信息

作者简介:
高福洲(1996—)，男，博士研究生，主要从事岩体力学性质方面的研究工作。E-mail: gthosy@foxmail.com

通讯作者:
张俊云, E-mail：zjy74@126.com

中图分类号: TU43
计量
- 文章访问数: 281
- HTML全文浏览量: 24
- PDF下载量: 73
出版历程
- 收稿日期: 2023-12-05
- 网络出版日期: 2024-05-10
- 刊出日期: 2025-02-28

Shear mechanical properties and empirical formula of infilled rock joints

1.
School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
2.
Sichuan Highway Planning Survey and Design Institute Ltd., Chengdu 610041, China

摘要

摘要: 研究充填岩石节理的剪切力学特性对工程岩体的稳定性评价具有重要意义。为此，开展考虑法向应力 ${\sigma _{\text{n}}}$ 、充填厚度t、节理粗糙度系数JRC影响下的充填岩石节理大型直剪试验，分析了剪切破坏特征、剪切特征曲线和峰值剪切强度 ${\tau _{\text{p}}}$ 的演化规律，在此基础上建立了充填岩石节理峰值剪切强度经验公式。研究表明：充填岩石节理的剪切破坏位置以充填介质与节理岩壁接触面破坏为主；其剪切应力-剪切位移曲线通常在 ${\sigma _{\text{n}}}$ ≥600 kPa，t≤5 mm且JRC≥6.36条件下出现剪切应力峰值点；在充填度Δ=1.12时充填岩石节理峰值剪切强度 ${\tau _{\text{p}}}$ 与充填介质剪切强度 ${\tau _{\text{i}}}$ 相近，随着Δ进一步增大， ${\tau _{\text{p}}}$ 降低至 ${\tau _{\text{i}}}$ 以下；充填岩石节理峰值剪切强度经验公式中引入描述充填介质与节理岩壁接触面相互作用对 ${\tau _{\text{p}}}$ 影响的参数W，公式计算值与试验值相对误差平均值δ≤9.01%。
- 充填岩石节理 /
- 大型直剪试验 /
- 充填厚度 /
- 节理粗糙度系数 /
- 峰值剪切强度
Abstract: The investigation of the shear mechanical properties of infilled rock joints is of significant importance for the stability assessment of engineering rock formations. In this study, the large-scale direct shear tests on infilled rock joint specimens are conducted considering the influences of normal stress ( ${\sigma _{\text{n}}}$ ), infilled thickness (t) and joint roughness coefficient (JRC). The evolution patterns of the shear failure characteristics, shear characteristics curves and peak shear strength are analyzed. Based on these findings, an empirical formula for the peak shear strength of infilled rock joints is established. The study reveals that the shear failure location of the infilled rock joint is primarily at the contact interface between the infilled medium and the rock joint wall. The shear stress-shear displacement curve of the infilled rock joint typically exhibits a shear stress peak when ${\sigma _{\text{n}}}$ ≥600 kPa, t≤5 mm, and JRC≥6.36. At an infilled ratio Δ of 1.12, the peak shear strength of the rock joint ( ${\tau _{\text{p}}}$ ) is close to that of the infilled medium ( ${\tau _{\text{i}}}$ ), As Δ further increases, ${\tau _{\text{p}}}$ decreases below ${\tau _{\text{i}}}$ . The parameter W is introduced into the empirical formula for the peak shear strength of the infilled rock joint to describe the interaction occurring at the contact surface between the infilled medium and the rock joint wall, capturing the influences on the peak shear strength of the infilled rock joint. The calculated values by the empirical formula exhibit an average relative error δ of ≤9.01% compared to the test ones.
- infilled rock joint /
- large-scale direct shear test /
- infilled thickness /
- joint roughness coefficient /
- peak shear strength

HTML全文

0. 引言

砂砾石料广泛分布在河床和岸坡滩地，具有储量丰富、就地取材、易于开采、施工成本低，施工速度快，施工受气候影响小，且压实后具有较高的强度和变形模量等特点，能较好满足工程抗震和抗剪指标要求，是构筑当地材料坝的良好天然材料。中国在砂砾石料工程特性研究、坝体和坝坡抗震措施、填筑碾压标准、合理利用材料综合分区，以及采用新的施工方法与施工设备等方面均取得了长足发展，并广泛应用于当地材料坝的建设中，取得了举世瞩目的成就^[1-4]。但天然砂砾石料由于具有级配离散、级配间断和施工易离析、粗颗粒磨圆度较好、咬合力差等特点，导致其渗透性相对较弱、细料易被渗透水流冲蚀、渗透稳定性差、抗渗透破坏和冲蚀能力较差，从而在渗流作用下易产生渗透破坏^[5]。渗流和渗透控制是直接关系到砂砾石坝尤其是砂砾石心墙坝安全的一项极其重要的研究课题^[6]。

坝体中不同分区间的反滤保护是工程中防治渗透破坏的有效措施之一，一方面阻碍被保护土中细颗粒通过滤层；另一方面允许被保护土中的水通过滤层，从而减小被保护土中的水压力，达到滤土和排水的作用^[7-8]。自从太沙基提出反滤层的功能和设计原理并建立了土体反滤层的设计准则以来，国内外学者分别从层间级配关系、层间系数、特征粒径取值、反滤关系等方面采用室内渗透试验、数学模型模拟等方法对砂砾石料的渗透特性及反滤保护进行了大量研究^[7-10]，取得了许多卓有成效的研究成果。

然而，已有研究围绕反滤层的功能和设计原理，主要集中于如何合理确定和满足保护料与被保护料之间的滤土准则和排水准则，更多的偏重于砂砾石料的级配特征、反滤层颗粒组成级配的效果差异的研究，而就排水能力大小与反滤保护关系的研究相对较少。为此，本文通过室内渗透试验、渗透变形及反滤保护试验分别研究了有、无反滤层保护下砂砾石料的的抗渗透破坏能力，并重点分析了排水能力变化等对反滤保护效果的影响。

1. 砂砾石料的反滤排水准则及其排水能力

砂砾石料反滤关系验算中排水关系通常采用太沙基提出的D₁₅/d₁₅来反映排水准则，其中D₁₅为保护料反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d₁₅为被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；刘杰等^[7]则根据不均匀无黏性土的渗透系数可近似的用土的等效粒径来确定的理念提出采用D₂₀/d₂₀的比值来表示排水减压功能。显然土体的排水能力，主要决定于土体的渗透系数差值，渗透系数愈大，排水能力愈强，减压效果愈好，反滤排水原理可用土体渗透系数的比值k_p/k_b来表示，其中k_p为保护料反滤料的渗透系数，k_b为被保护料的渗透系数。根据渗透理论，如果反滤层的渗透系数是被保护料的16倍，则进入反滤层后的剩余水头，只有被保护料的1/16^[11]，因此，按k_p/k_b的原则选择反滤层允许的渗透系数，则进入反滤层中的渗水压力基本消失，因此，在反滤验算中，要求k_p/k_b≥4~16。

在砂砾石料反滤设计中排水能力的选择是影响反滤作用的一个重要因素，根据k_p/k_b的原则对反滤层的渗透性提出了最低要求，由排水准则可以看出，排水能力越大越有利于反滤保护效果，但由于渗透性差值越大，从级配角度来看，相对于被保护料，则要求保护料的级配越粗越好，但级配越粗相应的保护料的滤土性会越差，显然如何平衡滤土性和排水性的关系，亟需确定排水能力对反滤保护能力的影响规律，以确定排水性的最优范围。此外，砂砾石料的渗透性除受级配影响外，相对密度对砂砾石料渗透性的影响也起支配作用，排水准则仅通过级配来确定层间排水关系，忽略了相对密度对砂砾石料渗透性的影响。

2. 试验条件及试验过程

2.1 试验材料及试验模拟级配

保护及被保护砂砾石试验用料均取自某抽水蓄能电站下水库库内开挖的河床砂砾石料，现场检测河床砂砾石料的天然级配见图 1，取现场检测天然级配平均线做为试验被保护料的模拟级配。

图 1 砂砾石料天然级配曲线

Figure 1. Natural gradation curves of gravel

下载: 全尺寸图片幻灯片

试验密度分别结合河床砂砾石料的天然密度、设计密度及相对密度试验结果进行选取。

渗透试验要求渗透仪内径应不小于5倍的试样最大颗粒粒径。然而，目前室内常规大型渗透仪直径为30 cm，不适用于直接开展天然级配被保护料的渗透试验研究，因此，需对被保护料的天然级配进行缩尺，已有研究表明：砂砾石料小于5 mm细粒含量对其渗透系数、抗渗透破坏能力及其破坏模式均具有重要影响，对超径颗粒进行处理时，应遵循不改变细粒含量和级配特性的原则，采用等量替代法进行级配缩尺后的渗透试验成果可以近似反映原级配材料的特性^[12]。因此本次试验采用等量替代法对河床砂砾石料的天然级配进行缩尺，缩尺后被保护料的室内试验级配见图 2。保护料反滤料的级配为设计级配见图 2，其最大粒径为60 mm，不需要缩尺，保护料和被保护料表征排水关系的特征粒径见表 1。

图 2 缩尺后保护料和被保护料级配曲线

Figure 2. Gradation curves of protective and protected materials after scaling

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 缩尺前后特征粒径对比

Table 1. Comparison of characteristic particle sizes before and after scaling

砂砾石料	缩尺前		缩尺后
砂砾石料	d₂₀/mm	d₁₅/mm	d₂₀/mm	d₁₅/mm
被保护料	1.3	0.5	1.3	0.5
保护料	2.8	1.9	2.8	1.9

下载: 导出CSV

| 显示表格

由表 1及图 2，由于对超径颗粒进行处理时，采用了等量替代法进行级配缩尺，未改变5 mm以下细料含量，缩尺前后反映排水关系的特征粒径值d₂₀/d₁₅并未发生改变，相应的反映排水准则的特征粒径的比值也并未发生改变，因此，缩尺后渗透试验成果可以近似反映原级配材料的排水特性。

为使试样级配尽可能与试验级配一致，将河床砂卵石料按60~40 mm、40~20 mm、20~10 mm、10~5 mm、5~2 mm、2~1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm、0.25~0.075 mm、 < 0.075 mm共10种粒径范围进行筛分。缩尺后保护料和被保护料的相对质量密度及相对密度试验结果分别见表 2。

表 2 相对密度及相对质量密度试验结果

Table 2. Results of relative density and specific gravity tests

试样名称	相对质量密度	最小干密度 /(g⋅cm^-3)	最大干密度 /(g⋅cm^-3)
被保护料	2.82	1.92	2.36
保护料	2.82	1.85	2.33

下载: 导出CSV

| 显示表格

2.2 试验仪器及试验方法

渗透系数及渗透变形试验采用大型渗透仪，反滤保护试验采用大型反滤试验仪，试验均采用常水头法，渗流方向为从下向上，渗透及反滤试验试样直径均为Φ300 mm，其中渗透系数及渗透变形试验渗径为300 mm，反滤试验试样分两层，保护料在上、被保护料在下，保护料和被保护料的渗径也分别为300 mm。

试样采用表面振动击实法分3层进行装样，并根据试样要求的干容重控制每层振动时间振动击实至指定高度，同时在振动过程中严格控制试样发生颗粒离析。试样成型后采用从下向上滴水饱和法使其饱和，试样充分饱和后，缓慢抬升试验水头，参照碾压式土石坝设计规范（DL/T 5395—2007）及水电水利工程粗粒土试验规程：（DL/T 5356—2006）开展相应的渗透系数、渗透变形及反滤保护试验。

3. 试验结果分析

3.1 相对密度对渗透性的影响

砂砾石料渗透系数及渗透变形试验结果见表 3，试验曲线见图 3。

表 3 砂砾石料渗透系数及渗透变形结果

Table 3. Results of permeability coefficient and permeability deformation of gravel materials

砂砾石料	相对密度D_r	k₂₀/(cm·s^-1)	破坏坡降i_F
被保护料	1.00	1.15×10^-4	2.67
	0.90	2.02×10^-4	2.34
	0.82	4.33×10^-4	2.19
	0.71	9.46×10^-4	1.94
	0.67	1.21×10^-3	1.89
保护料	0.85	3.08×10^-3	—

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 3 砂砾石料渗透系数、渗透破坏坡降随相对密度变化图

Figure 3. Change of permeability coefficient and seepage failure slope of gravel materials with relative density

下载: 全尺寸图片幻灯片

由表 3可以看出，在试验相对密度范围内，随相对密度降低，被保护砂砾石料的渗透系数逐渐增大，相对于保护料，被保护砂砾石料的渗透系数则逐渐接近保护料，即保护料对被保护料的排水能力逐渐减弱，且随相对密度的进一步降低，被保护砂砾石料的渗透系数有可能低于保护料。

在坝体的反滤设计中，仅通过保护料和被保护料级配曲线的特征粒径来确定排水关系，显然忽略了相对密度变化对渗透性能的影响，随相对密度变化，有可能改善或者恶化保护料对被保护料的排水能力，因此在砂砾石料反滤设计中应考虑相对密度对渗透性的影响，可通过提高被保护料的相对密度降低其渗透性、或者通过降低保护料的相对密度提高其渗透性来改善保护料对被保护料的排水能力，从而合理确定保护料对被保护料的排水能力。

图 3同时列出了随相对密度变化，被保护砂砾石料自身抗渗透能力的变化曲线，由表 3及图 3，随相对密度增大，被保护砂砾石料抵抗渗透破坏的能力逐步提高，显然提高被保护料的相对密度也是改善被保护砂砾石料抵抗渗透破坏的能力的一个有效措施。

综合表 3、图 3可以看出，砂砾石料抵抗渗透破坏的能力与渗透系数成反比，渗透系数则与相对密度值成反比，即：相对密度值越小，渗透系数越大，其抵抗渗透破坏的能力越差，反之，相对密度值越大，渗透系数越小，其抵抗渗透破坏的能力越强。

3.2 排水能力对反滤关系的影响

表 4给出了不同相对密度、有/无反滤保护条件下砂砾石料的渗透破坏坡降试验结果。

表 4 不同相对密度条件下被保护料反滤保护试验结果

Table 4. Test results of filter protection of protected materials under different relative densities

砂砾石料相对密度D_r	破坏坡降i_F		结果对比
砂砾石料相对密度D_r	无反滤保护	有反滤保护	k_p/k_b	i_p/i_b
1.00	2.67	24.4	26.8	9.1
0.90	2.34	18.6	15.2	8.0
0.82	2.19	13.4	7.1	6.1
0.71	1.94	11.1	3.3	5.7
0.67	1.89	5.3	2.5	2.8

下载: 导出CSV

| 显示表格

由表 4，随被保护料相对密度提高，其渗透性逐渐降低，但其抗渗透破坏能力逐步增加，反滤料/保护料对于被保护料的透水性逐渐增强，且在反滤料的保护作用下，被保护料的破坏坡降显著提高。

以i_p/i_b来表示反滤料对砂砾石料的反滤保护作用，其中i_p为在反滤料保护条件下被保护砂砾石料的渗透破坏坡降，i_b为无反滤料保护条件下砂砾石料的渗透破坏坡降。绘制排水能力k_p/k_b与反滤能力i_p/i_b曲线如图 4。由图 4可以看出随反滤料对砂砾石料的排水能力逐渐增强，反滤料对砂砾石料反滤保护作用显著增加，但当渗透系数到一定程度后，相对于排水能力的增加，反滤保护作用增加变缓。

图 4 排水能力k_p/k_b与反滤保护能力i_p/i_b关系曲线

Figure 4. Relationship between k_p/k_b and i_p/i_b

下载: 全尺寸图片幻灯片

由图 4，虽然保护料和被保护料之间满足滤土和排水准则，但当保护料和被保护料的渗透系数接近甚至低于被保护料时，保护料很难甚至对被保护料起不到反滤保护作用，而一旦保护料大于被保护料的渗透系数，改善了保护料对被保护料的排水性，保护料对被保护料的反滤保护作用迅速增加，保护料对被保护料的排水能力越强，其反滤保护效果越好，但当保护料对被保护料的排水性增加到一定的范围后，相对于排水能力的增加，反滤保护作用增加的幅度相应变缓。

由于反滤层设计排水准则仅对排水能力提出了最低要求，因此在进行砂砾石料反滤设计时，常要求保护料对被保护料具有较高的排水能力，但排水能力的提高必然损失部分保护料对被保护料的滤土能力，同时由于砂砾石料级配离散、级配间断及宽级配的特点，有时对砂砾石料的反滤保护不得不设置多层反滤进行水力过渡，增加了设计和施工难度。排水能力与反滤能力的研究结果表明：排水能力在一定范围内即可满足反滤设计对排水性能的需求，过高的排水性对反滤能力的提升作用有限。本文试验的保护料对被保护料要求的排水能力约为8~16倍左右，当排水能力大于16倍时，相对于排水能力增加，反滤保护作用的增加已不太明显。

3.3 排水能力与反滤关系拟合

采用半对数曲线y=a⋅ln(x)+b来拟合砂砾石料排水能力与反滤能力的试验结果：

其中y= i_p/i_b，x= k_p/k_b。

当k_p/k_b =1时，被保护料与保护料渗透系数相同，保护料对被保护料几乎不具备排水能力，但此时，由于保护料的存在相当于对被保护料增加了上覆压力作用，保护料仍可对被保护料起到一定的反滤保护作用，b值反映了渗透性相同条件下上覆压力对被保护料的反滤保护能力。

由表 4可以拟合得到a=2.267，a是与反滤效果有关的一个系数，反映了保护料对被保护料起反滤作用的能力，b=1.775。

由此得到：i_p/i_b =2.267ln(k_p/k_b)+1.775。

排水能力与反滤保护能力拟合结果与试验结果对比见图 4，证明了采用半对数曲线拟合排水能力与反滤能力的关系式大体是合理的。

4. 结论

（1）砂砾石料抵抗渗透破坏的能力与渗透系数成反比，渗透系数则与相对密度值成反比，即：相对密度值越小，渗透系数越大，其抵抗渗透破坏的能力越差，反之，相对密度值越大，渗透系数越小，其抵抗渗透破坏的能力越强。

（2）在坝体的反滤设计中，仅通过保护料和被保护料级配曲线的特征粒径来确定排水关系，忽略了相对密度值对渗透性能的影响，随相对密度变化，有可能改善或者恶化保护料对被保护料的排水能力。除级配特征外，在坝体砂砾石料的反滤排水设计中，还应考虑相对密度对渗透性的影响，以合理确定保护料和被保护料的排水能力。

（3）当保护料和被保护料的渗透系数接近甚至低于被保护料时，保护料很难甚至对被保护料起不到反滤保护作用，而一旦保护料大于被保护料的渗透系数，改善了保护料对被保护料的排水性，保护料对被保护料的反滤保护作用迅速增加。

（4）保护料对被保护料的排水能力越强，其反滤保护效果越好，但当排水性增加到一定的范围后，相对于排水能力的增加，反滤保护作用增加幅度变缓。排水能力在一定范围内即可满足反滤设计对排水性能的需求，过高的排水性对反滤能力的提升作用有限。

（5）可采用半对数曲线i_p/i_b =aln(k_p/k_b)+b来大体反映排水能力对反滤能力的影响规律，式中，a是与反滤效果有关的一个系数，反映了保护料对被保护料起反滤作用的能力，b值反映了渗透性相同条件下上覆压力对被保护料的反滤保护能力。

图 1 充填岩石节理的制备

Figure 1. Preparation of infilled rock joints

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 试验装置

Figure 2. Test apparatus

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 充填介质与节理岩壁接触面剪切破坏

Figure 3. Shear failure at contact interface between infilled medium and rock joint wall

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 充填岩石节理剪切特征曲线

Figure 4. Curves of shear characteristics of infilled rock joints

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 充填岩石节理峰值剪切强度演化规律

Figure 5. Evolution laws of peak shear strength of infilled rock joints

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 峰值剪切强度随充填度变化规律

Figure 6. Variation of peak shear strength with values of Δ

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 式(4)计算值与试验值的关系(^#1~^#5试件t=0 mm)

Figure 7. Relationships between calculated shear strength by formula (4) and their test values (specimens No.1~No.5, t=0 mm)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 3种公式计算值与试验值的关系(^#1~^#5试件t≠0 mm)

Figure 8. Comparison of calculated results by three types formulae for peak shear strength (specimens No.1~No.5, t≠0 mm)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 验证试验剪切应力-剪切位移曲线

Figure 9. Shear displacement-shear stress curves of verification test

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 式(8)计算值与试验值的关系(^#6, ^#7试件t≠0 mm)

Figure 10. Relationships between calculated shear strength by formula (8) and their test values (specimens No.6, No.7, t≠0 mm)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 3种公式计算值与试验值的关系(^#7试件t=3 mm)

Figure 11. Comparison of calculated results by three types formulae for peak shear strength (specimens No.7, t=3 mm)

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 岩石节理剖面线

Table 1 Profile lines of rock joints

编号	序号	岩石节理剖面线	JRC	h/mm
^#1	—		0.00	0.00
^#2	3		6.36	4.48
^#3	5		10.61	11.66
^#4	7		14.58	17.29
^#5	9		17.29	18.16

注：序号为所对应的Barton标准剖面线序号；h为岩石节理表面起伏差。

下载: 导出CSV

表 2 模拟充填岩石节理的材料基本力学参数

Table 2 Basic mechanical parameters of materials of artificially infilled rock joints

模拟岩石（水泥砂浆）				充填介质（石英砂）
黏聚力 c/MPa	内摩擦角 φ/(°)	单轴抗压强度 ${\sigma _{\text{c}}}$ /MPa	弹性模量 E/GPa	黏聚力 ${c_{\text{i}}}$ /kPa	内摩擦角 ${\varphi _{\text{i}}}$ /(°)
4.00	59.53	51.67	9.95	59.81	33.36

下载: 导出CSV

表 3 直剪试验方案

Table 3 Schemes for direct shear tests

编号	试验方法	t/mm	${\sigma _{\text{n}}}$ /kPa
^#1~^#5	单剪	0	200，400，600，800，1000
^#1~^#5	多阶段剪切	3，5，10	200，400，600，800，1000

下载: 导出CSV

表 4 充填岩石节理试件剪切破坏特征

Table 4 Failure properties of infilled rock joints

编号	t/mm
编号	0	3	5	10
^#1
^#2
^#3
^#4
^#5

下载: 导出CSV

表 5 充填岩石节理试件峰值剪切强度试验结果

Table 5 Peak shear strengths of infilled rock joints

编号	t/mm	${\sigma _{\text{n}}}$ /kPa
编号	t/mm	200	400	600	800	1000
^#1	0	180.22	341.00	523.11	671.78	797.67
	3	182.00	312.33	441.56	561.78	680.22
	5	157.22	273.44	393.33	497.22	617.00
	10	154.56	287.78	384.11	478.56	586.00
^#2	0	306.44	599.11	857.67	1009.00	1223.11
	3	202.11	317.56	447.56	609.44	793.56
	5	182.22	322.22	467.89	606.00	738.67
	10	174.11	290.22	405.00	536.22	658.22
^#3	0	346.56	685.89	963.11	1273.89	1360.89
	3	246.56	435.67	615.11	793.11	930.89
	5	234.33	385.78	573.00	747.11	881.44
	10	189.67	305.89	424.33	560.44	710.67
^#4	0	528.33	944.00	1336.78	1603.00	1810.67
	3	257.67	513.11	735.22	1027.33	1235.22
	5	233.89	426.67	622.78	854.67	1067.22
	10	184.56	343.33	483.00	657.44	839.56
^#5	0	832.67	1204.44	1567.44	1929.33	2394.89
	3	287.78	583.33	767.89	923.33	1205.89
	5	256.33	479.22	620.56	881.33	1029.00
	10	214.89	364.44	536.44	751.11	932.00

下载: 导出CSV

表 6 试件充填度计算结果

Table 6 Calculated results of infill ratio of specimens

编号	h/mm	Δ(Δ=t/h)
编号	h/mm	t=3 mm	t=5 mm	t=10 mm
^#1	0.00	—	—	—
^#2	4.48	0.67	1.12	2.23
^#3	11.66	0.26	0.43	0.86
^#4	17.29	0.17	0.29	0.58
^#5	18.16	0.17	0.28	0.55

下载: 导出CSV

表 7 验证试验岩石节理剖面线

Table 7 Profile lines of infilled rock joints of verification tests

编号	序号	岩石节理剖面线	JRC	h/mm
^#6	6		11.29	16.64
^#7	8		14.86	19.00

下载: 导出CSV

表 8 参数计算

Table 8 Calculation of parameters

充填介质	${c_{\text{i}}}$ /kPa	${\varphi _{\text{i}}}$ /(°)	${f_{\text{s}}}$	${f_{\text{i}}}$	W
细石英砂	42.87	30.08	0.519	0.579	0.896
粉质黏土	56.07	28.75	0.462	0.549	0.842

下载: 导出CSV

参考文献(27)

[1]	LADANYI B, ARCHAMBAULT G. Shear strength and deformability of filled indented joints[C]// Proceedings of International Symposium on Geotechnics of Structurally Complex Formations, Capri, Italy, 1977.
[2]	INDRARATNA B, WELIDENIYA H S, BROWN E T. A shear strength model for idealised infilled joints under constant normal stiffness[J]. Géotechnique, 2005, 55(3): 215-226. doi: 10.1680/geot.2005.55.3.215
[3]	INDRARATNA B, JAYANATHAN M, BROWN E T. Shear strength model for overconsolidated clay-infilled idealised rock joints[J]. Géotechnique, 2008, 58(1): 55-65. doi: 10.1680/geot.2008.58.1.55
[4]	INDRARATNA B, PREMADASA W, BROWN E T, et al. Shear strength of rock joints influenced by compacted infill[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014, 70: 296-307. doi: 10.1016/j.ijrmms.2014.04.019
[5]	MIRZAGHORBANALI A, NEMCIK J, AZIZ N. Effects of cyclic loading on the shear behaviour of infilled rock joints under constant normal stiffness conditions[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(4): 1373-1391. doi: 10.1007/s00603-013-0452-1
[6]	JAHANIAN H, SADAGHIANI M H. Experimental study on the shear strength of sandy clay infilled regular rough rock joints[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(3): 907-922. doi: 10.1007/s00603-014-0643-4
[7]	PHIEN-Wej N, SHRESTHA U B, RANTUCCI G. Effect of infill thickness on shear behaviour of rock joints[C]// Proceedings of the International Conference on Rock Joints. Loen, 1990: 289-294.
[8]	SHRIVASTAVA A K, RAO K S. Physical modeling of shear behavior of infilled rock joints under CNL and CNS boundary conditions[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2018, 51(1): 101-118. doi: 10.1007/s00603-017-1318-8
[9]	LU Y L, WANG L G, LI Z L, et al. Experimental study on the shear behavior of regular sandstone joints filled with cement grout[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2017, 50(5): 1321-1336. doi: 10.1007/s00603-016-1154-2
[10]	KANG Y S, HOU C C, LIU B, et al. Influence of water content on the shear strength of rock joints with clay-rich fillings[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2023, 56(2): 1437-1449. doi: 10.1007/s00603-022-03158-2
[11]	焦峰, 郭保华, 翟明磊. 砂土充填大理岩节理的剪切强度经验公式[J]. 岩土力学, 2018, 39(11): 4102-4108. JIAO Feng, GUO Baohua, ZHAI Minglei. Empirical formula for shear strength of marble joints infilled with sands[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(11): 4102-4108. (in Chinese)
[12]	焦峰, 许江, 郭保华, 等. 充填厚度对岩石节理剪切强度影响的剪切试验研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(2): 405-412. JIAO Feng, XU Jiang, GUO Baohua, et al. A shear test study on the influence of filled thickness on the shear strength of rock joints[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2022, 39(2): 405-412. (in Chinese)
[13]	许万忠, 林杭, 曹日红. 充填粗糙节理直剪数值模拟宏细观分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(3): 548-557. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.016 XU Wanzhong, LIN Hang, CAO Rihong. Simulation and macro-mesoscopic parameter analysis for direct shear of filled rough joints[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(3): 548-557. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.016
[14]	GONG L B, NEMCIK J, REN T. Numerical simulation of the shear behavior of rock joints filled with unsaturated soil[J]. International Journal of Geomechanics, 2018, 18(9): 4018112. doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001253
[15]	LIU X W, DENG W, LIU B, et al. Influence analysis on the shear behaviour and failure mode of grout-filled jointed rock using 3D DEM coupled with the cohesive zone model[J]. Computers and Geotechnics, 2023, 155: 105165. doi: 10.1016/j.compgeo.2022.105165
[16]	肖维民, 余欢, 朱占元, 等. 薄层充填岩石节理剪胀特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(8): 1499-1508. doi: 10.11779/CJGE202008015 XIAO Weimin, YU Huan, ZHU Zhanyuan, et al. Experimental study on shear dilatancy characteristics of thinly-infilled rock joints[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(8): 1499-1508. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202008015
[17]	ZHAO Y L, ZHANG L Y, WANG W J, et al. Experimental study on shear behavior and a revised shear strength model for infilled rock joints[J]. International Journal of Geomechanics, 2020, 20(9): 04020141. doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001781
[18]	PAPALIANGAS T, HENCHER S R, LUMSDEN A C, et al. The effect of frictional fill thickness on the shear strength of rock discontinuities[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1993, 30(2): 81-91.
[19]	孙辅庭, 佘成学, 万利台. 充填水泥浆岩石节理峰值剪切强度模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(12): 2481-2489. SUN Futing, SHE Chengxue, WAN Litai. A peak shear strength model for cement filled rock joints[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(12): 2481-2489. (in Chinese)
[20]	SHE C X, SUN F T. Study of the peak shear strength of a cement-filled hard rock joint[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2018, 51(3): 713-728. doi: 10.1007/s00603-017-1358-0
[21]	修占国, 王述红, 王斐笠, 等. 充填体和围岩-充填体界面剪切特性对比试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(8): 1628-1642. XIU Zhanguo, WANG Shuhong, WANG Feili, et al. Comparative experimental study on the shear behavior of cemented paste backfill and surrounding rock-backfill interface[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(8): 1628-1642. (in Chinese)
[22]	罗战友, 黄斌, 杜时贵, 等. 基于形貌全覆盖的岩石结构面抗剪强度尺寸效应试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(2): 287-297. LUO Zhanyou, HUANG Bin, DU Shigui, et al. Experimental study on size effect of shear strength of rock joints[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2024, 43(2): 287-297. (in Chinese)
[23]	BARTON N, CHOUBEY V. The shear strength of rock joints in theory and practice[J]. Rock Mechanics, 1977, 10(1): 1-54.
[24]	TSE R, CRUDEN D M. Estimating joint roughness coefficients[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1979, 16(5): 303-307.
[25]	MURALHA J, GRASSELLI G, TATONE B, et al. ISRM suggested method for laboratory determination of the shear strength of rock joints: revised version[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(1): 291-302. doi: 10.1007/s00603-013-0519-z
[26]	许江, 雷娇, 刘义鑫, 等. 充填物性质影响结构面剪切特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4129-4137. XU Jiang, LEI Jiao, LIU Yixin, et al. Experimental study on shear behavior of joints filled with different materials[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(11): 4129-4137. (in Chinese)
[27]	土工试验方法标准: GB/T 50123—2019[S]. 北京: 中国计划出版社, 2019. Standard for Geotechnical Testing Method: GB/T 50123—2019[S]. Beijing: China Planning Press, 2019. (in Chinese)