0.   引言

三峡库区蓄水运行以来，库岸边坡的变形稳定一直是相关领域关注的焦点，大量的研究表明，库水位周期性升降变化作用下消落带岩土体的损伤劣化，是导致岸坡变形失稳的主要因素之一^[1-3]。很多学者采用不同的方法模拟了消落带岩体的水-岩作用过程。刘新荣等^[4-5]通过浸泡-风干循环试验模拟了消落带的水位涨落情况，得到了水-岩作用下砂岩的抗剪强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等参数的劣化规律；姚华彦等^[6]、崔凯等^[7]、周世良等^[8]分别对红砂岩、板岩、泥岩等岩石进行了一系列的水-岩作用试验，获得了各类岩石在水-岩作用下的损伤劣化效应；邓华锋等^[9]模拟了消落带岩体的“浸泡-风干”循环和水压力升降变化过程，发现水压力升降变化加剧了消落带岩体的损伤效应。在水-岩作用试验研究基础上，傅晏^[10]、王永新^[11]通过数值模拟方法分析了库岸边坡岩土体损伤劣化对其稳定性的影响规律。综合这些研究成果发现，水-岩作用下库岸边坡消落带岩体损伤劣化效应显著，而且对库岸边坡长期变形稳定存在明显的影响。

节理、裂隙是控制岩质岸坡变形稳定的关键部位，也是水-岩作用影响的重要区域，水库运行过程中节理、裂隙的性能劣化是直接影响库岸边坡的变形稳定^[12]。相关节理岩体水-岩作用试验研究也逐渐开展，段玲玲等^[13]、姚强岭等^[14]、窦子豪等^[15]和黄智刚等^[16]研究分析了水-岩作用下含节理、裂隙岩体的渗透系数、声发射特性、抗剪强度、抗压强度等物理力学参数劣化规律。从这些研究成果可以看出，在长期水-岩作用下，岩体结构面的物理力学性能劣化趋势也非常明显。

水库蓄水运行以后，库岸边坡要受到库水位周期性升降变化、降雨、水库地震等复杂因素的作用，监测资料显示，较多库岸边坡变形呈现出明显的台阶式的发展特征^[17]，典型岸坡的变形监测曲线如图 1所示。消落带是库岸边坡变形稳定敏感地带，长期的水-岩作用导致了岸坡消落带岩体的损伤劣化，库水位的升降变化、降雨、水库地震等因素导致岸坡部分区域的岩体顺结构面出现阶段性、多期次的剪切滑移。也即，库岸边坡消落带岩体的损伤劣化受长期水-岩作用和阶段性重复剪切共同影响。综合目前库岸边坡消落带水-岩作用研究来看，主要侧重于分析水-岩作用对消落带岩体的损伤劣化效应，很少考虑水-岩作用和阶段性重复剪切滑移对结构面的累积损伤效应。

图  1  典型库岸边坡随时间的累积位移变化^[17]

Figure  1.  Cumulative displacements of typical reservoir bank slope with time

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基于此，在前期库岸边坡消落带水-岩作用试验研究基础上，以三峡库区典型岸坡消落带节理岩体为研究对象，进行模拟库水位周期性升降变化的水-岩作用试验，在不同试验周期进行重复剪切试验，模拟水库运行过程中的多期次剪切滑移过程，分析库岸边坡消落带节理岩体在水-岩和重复剪切次序作用下的累积损伤演化规律。

1.   试验方案

1.1   节理岩样制备

试验用砂岩取自三峡库区典型库岸边坡，岩石为侏罗系石英砂岩。由于现场采集含天然节理的岩样难度较大，试验过程中，现场采集层理显著的完整岩块，室内进行切割和打磨，制备成边长为100 mm的立方块试样。参考以往的经验^[18-19]，采用劈裂法顺层理弱面将完整岩样劈裂成如图 2所示的单节理试样，然后进行节理面的形貌特征扫描，选取12个节理面形貌特征较为一致的试样进行试验。

图  2  单节理试样制备

Figure  2.  Preparation of single-joint specimen

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1.2   水-岩作用和重复剪切过程模拟

为了较好地模拟库岸边坡消落带的库水位周期性升降变化过程，采用自主研制的YRK-2岩石浸泡-风干试验仪进行试验，该设备可以实现岩样浸泡过程中库水压力升降变化和干湿循环过程的模拟。参考以往研究经验^{[10, 20]}，首先对节理试样进行饱水处理，测试其在初始饱水状态下的抗剪性能；然后开始干湿循环水-岩作用试验，设计单次干湿循环周期为40 d，分为2个阶段：①模拟低水位时的风干阶段，将试样放置于浸泡容器内，设置温度30℃风干10 d；②向浸泡容器中注满从库区取回的库水，通过调节水压力来模拟库水位上升、稳定和下降阶段，设计的最大浸泡压力为0.3 MPa，每个阶段持续10 d，此为一个干湿循环过程。而后，重复上述①、②步骤，设计的干湿循环次数为10次。

为了研究消落带节理岩体在长期水-岩作用和阶段性剪切作用下的累积损伤演化规律，分别在初始饱水状态及第1，2，4，6，8，10次浸泡结束后，对节理试样进行重复剪切试验。考虑1.0，1.5，2.0和2.5 MPa等4种法向应力，每种法向应力3个试样。根据以往经验^[21-22]，节理试样经过3次左右直剪试验后，其抗剪强度趋于稳定，因此，本文设计进行了4次重复剪切试验，保证试样在各周期重复剪切作用下抗剪强度趋于稳定。为了获得节理面形貌特征变化规律，在每次剪切前后使用ST500三维非接触式表面轮廓仪对节理面进行扫描，并分析提取节理面微观形貌参数。

2.   水-岩和重复剪切次序作用下节理岩体抗剪性能劣化规律分析

重复剪切作用下典型节理岩体剪切应力-剪切位移曲线如图 3所示，可以看出，曲线没有明显峰值，总体可分为弹性阶段、屈服阶段、塑性硬化或者流动阶段。随剪切次数的增加，曲线整体下移，抗剪强度在3次剪切后逐渐趋于稳定，这与以往重复剪切试验得到的规律是一致的^[21-22]，主要是由于在重复剪切作用下，节理面上的微凸起和凹陷部分逐渐发生切齿、摩擦和填充，节理面的粗糙度逐渐降低并趋于稳定，对应节理面的抗剪强度也逐渐趋于稳定。

图  3  典型节理试样剪切应力-剪切位移曲线

Figure  3.  Shear stress-shear displacement curves of typical samples

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绘制水-岩和重复剪切次序作用下的剪切位移-剪切应力曲线如图 4所示（选择初始状态及第1，6，10期曲线）。参考以往研究经验^[21-22]，在统计抗剪强度时，剪切应力-剪切位移曲线中有峰值时取峰值强度作为抗剪强度，无明显峰值时，取曲线稳定阶段的值作为抗剪强度，各周期节理岩样的抗剪强度如图 5所示。

图  4  水-岩和重复剪切次序作用下的剪切应力-剪切位移曲线

Figure  4.  Shear displacement-shear stress curves under water-rock interaction and repeated shear sequence

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图  5  水-岩和重复剪切次序作用下节理岩体抗剪强度劣化图

Figure  5.  Shear strength deterioration of jointed rock mass under water-rock and repeated shear sequence

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综合图 4，5可以看出：

（1）随水-岩和重复剪切次序作用周期(后文简称“周期”)的增加，节理岩样的抗剪强度呈先陡后缓的趋势逐渐降低，相比初始状态，1，2，4，6，8，10次水-岩和重复剪切次序作用后，不同法向应力下节理岩体的抗剪强度劣化幅度分别为11.27%~14.73%，18.91%~23.98%，22.84%~28.72%，25.36%~31.68%，27.42%~34.07%，28.83%~35.68%。比较而言，前4个周期内，节理岩样的抗剪强度劣化幅度较大，6个周期之后劣化趋势趋于平缓。

（2）第N个周期内第1次与第4次剪切的抗剪强度差值（这期间只有重复剪切影响），即该周期由重复剪切导致的节理岩样抗剪强度阶段劣化值，具体统计如图 6（a）所示。初始状态下（N=0），重复剪切导致的节理岩样抗剪强度劣化幅度尤为明显，不同法向应力下的阶段劣化幅度达到了16.68%~25.63%，而后，由重复剪切导致的抗剪强度劣化趋势迅速减弱，1，2，4，6，8，10周期对应的节理岩样抗剪强度阶段劣化幅度分别为4.00%~5.45%，2.04%~3.06%，1.85%~2.20%，1.04%~1.85%，1.01%~1.66%，0.62%~1.11%。主要是由于多次重复剪切后，节理面的形貌特征变化趋缓，进而使重复剪切导致的抗剪强度劣化趋势减弱。

图  6  重复剪切和水-岩作用分别导致的节理岩体抗剪强度阶段劣化柱状图

Figure  6.  Columnar diagram of shear strength deterioration of jointed rock mass caused by repeated shear and water-rock interaction

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（3）第N个周期第4次剪切与第N+1个周期第1次剪切的抗剪强度差值（这期间只有水-岩作用影响），即第N+1次水-岩作用导致的抗剪强度阶段劣化值，具体统计如图 6（b）所示。不同法向应力下第1，2，4，6，8，10个周期由水-岩作用导致的抗剪强度阶段劣化幅度分别为7.56%~9.82%，5.73%~8.42%，3.05%~4.17%，2.22%~2.57%，1.74%~2.13%，1.33%~1.51%。比较而言，水-岩作用在前4个周期导致的节理面抗剪强度劣化幅度比较明显，而后逐渐降低，并在6个周期后逐渐趋于稳定。

（4）在水-岩作用和重复剪切作用下，节理面的抗剪强度均存在先快后慢的劣化趋势。比较而言，初始状态下，重复剪切导致节理面抗剪强度劣化尤为明显，而后劣化幅度迅速减小并趋于稳定；水-岩作用在前4个周期对节理面抗剪强度影响效应更加明显。

3.   水-岩和重复剪切次序作用下节理岩体损伤劣化机理和模型分析

3.1   节理面粗糙度系数JRC变化规律分析

为了定量分析水-岩和重复剪切次序作用对节理面粗糙度的影响，参考以往的研究经验^[23-24]，根据扫描分析得到的节理面坡度均方根，采用式（1）计算节理面的粗糙度系数JRC。选取试样初始状态下的节理面粗糙度系数在16.50~17.60区间，总体比较接近。

式中：${S_{{\text{dq}}}}$为节理面的坡度均方根。

为了便于对比分析，对各试样的粗糙度系数进行归一化处理，如图 7所示（横轴上的$0'$表示初始状态第1次剪切前的节理面粗糙度系数，0表示初始状态第4次剪切前的节理面粗糙度系数，而后的JRC值取各周期第4次剪切前的粗糙度系数）。

图  7  节理面归一化的粗糙度系数劣化规律曲线

Figure  7.  Curves of normalized JRC degradation law of joint surface

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由图 7可得，不同法向应力下，水-岩和重复剪切次序作用下节理面粗糙度JRC的劣化规律一致，总体呈现“先陡后缓”的变化趋势，即随着水-岩和重复剪切次序作用周期的增加，节理面粗糙度JRC逐渐减小，4个周期之后，粗糙度系数JRC逐渐趋于稳定，比较而言，法向应力越大，劣化幅度越明显。

3.2   节理岩体抗剪强度损伤劣化模型分析

根据Barton等建立的JRC-JCS模型^[25-26]，如式（2）所示，可以得到节理岩样抗剪强度的计算值。

式中：$\tau$为抗剪强度；${\sigma _{\text{n}}}$为法向应力；JRC为节理面粗糙度；JCS为节理面岩壁强度；${\varphi _{\text{b}}}$为基本内摩擦角。

取不同周期岩样的单轴抗压强度作为节理面的岩壁强度JCS_U(N)，同时，在不同周期对节理面的基本内摩擦角${\varphi _{{\text{b(}}N{\text{)}}}}$进行摩擦试验，JCS_U(N)和${\varphi _{{\text{b(}}N{\text{)}}}}$劣化曲线如图 8所示。

图  8  节理面岩壁强度和基本内摩擦角劣化曲线

Figure  8.  Deterioration curves of JCS and basic internal friction angle

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以各周期第4次剪切试验结果为对象，将抗剪强度计算值与试验值进行对比，如图 9所示，其中，$0'$表示初始状态第1次剪切时的抗剪强度，0表示初始状态第4次剪切时的抗剪强度。

图  9  节理面抗剪强度试验值与计算值对比图

Figure  9.  Comparison between test and calculated values of shear strength of joint surface

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由图 9可以看出：

（1）节理面抗剪强度的计算值与试验值均呈指数形式降低，初始状态下第1次剪切时的抗剪强度计算值与试验值吻合较好，第4次剪切时，二者出现一定差别，随着水-岩和重复剪切次序作用周期的增加，抗剪强度计算值与试验值之间的差距逐渐增大，四种法向应力下抗剪强度计算值与试验值间的误差范围从3.28%~4.58%逐渐增加到13.86%~19.09%。

（2）分析上述误差形成的主要原因是，在水-岩作用和重复剪切作用这两种因素次序作用下，一方面长期水-岩作用导致节理面上、下盘岩石的力学性能逐渐劣化，这是以往水-岩作用研究中分析较多的^{[6, 12-13]}；另一方面，重复剪切过程会导致节理面两侧一定深度范围的岩壁产生损伤，这是前述研究中没有考虑到的。即如果只是单纯考虑水-岩作用损伤对岩壁强度的影响，忽略重复剪切对岩壁的损伤，采用JRC-JCS模型计算得到节理面的抗剪强度肯定高于试验结果，而且这个效应会累积放大。基于此，应该把节理岩体的损伤区域分成如图 10所示的两个区域，在节理面两侧同时考虑水-岩作用和重复剪切的损伤效应，这也和实际工程中常见的结构面两侧的剪切带分布是一致的。

图  10  水-岩和重复剪切次序作用下结构面岩壁损伤区域

Figure  10.  Damage area of structural plane under water-rock interaction and repeated shear sequence

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为了量化重复剪切作用对节理面岩壁的损伤效应，参考以往研究经验^[27]，采用剪切刚度劣化来表征重复剪切对于节理面岩壁强度的损伤，计算分析中取剪切应力-剪切位移曲线弹性阶段的斜率作为剪切刚度。${K_{1\left( N \right)}}$，${K_{4\left( N \right)}}$分别为第N个水-岩作用周期第1次、4次剪切时的剪切刚度，则第N个水-岩作用周期重复剪切造成的损伤变量$\Delta {D_{\left( N \right)}}$为

前述分析中，取不同水-岩作用周期下岩样的单轴抗压强度作为节理面的岩壁强度JCS_U(N)，没有考虑重复剪切对岩壁强度的影响，基于此，引入考虑重复剪切作用损伤的节理面岩壁强度修正系数${\delta _{\left( N \right)}}$，使得修正之后岩壁强度的损伤同时包含水-岩作用和重复剪切作用导致的损伤，则第N个水-岩作用周期考虑重复剪切作用的岩壁强度修正系数为

修正之后的节理面岩壁强度为

式中：${\text{JC}}{{\text{S}}_{\left( N \right)}}$为第N个水-岩作用周期虑重复剪切作用损伤修正之后的节理面岩壁强度。

结合不同周期节理试样的剪切应力-剪切位移曲线，根据式（4）可以计算得到考虑重复剪切作用损伤效应的节理面岩壁强度的修正系数，如图 11所示。

图  11  水-岩和重复剪切次序作用下修正系数劣化规律曲线

Figure  11.  Curves of correction coefficient deterioration law under water-rock and repeated shear sequence

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将式（5）代入到式（2）中，可得到考虑水-岩和重复剪切次序作用损伤效应的节理岩体抗剪强度计算公式，如下式所示：

式中：${\tau _{\left( N \right)}}$为第N个周期的节理面抗剪强度；${\text{JR}}{{\text{C}}_{\left( N \right)}}$为第N个周期的节理面粗糙度；${\varphi _{{\text{b}}\left( N \right)}}$为第N个周期的基本内摩擦角。

将式（6）计算得到的节理面抗剪强度与试验结果进行对比，绘入前面的图 9中，对比分析可以看出：

（1）采用式（6）计算得到的节理面抗剪强度与试验值之间的差别明显减小，初始状态第4次剪切时，不同法向应力下修正之后的抗剪强度计算值与试验值的误差减小为1.14%~2.23%，10个周期后，抗剪强度计算值和试验值的误差范围为2.74%~5.58%，说明上述修正方法是合理的。

（2）在考虑水-岩作用损伤效应基础上，进一步考虑重复剪切对节理面岩壁的损伤效应之后，节理面抗剪强度计算值和试验值依然存在一定的差别，这个差别逐渐稳定在5%左右。分析其主要原因是，在水-岩和重复剪切次序作用下，节理面的形貌特征发生了比较明显的变化，前述分析计算中考虑了节理面粗糙度系数降低的影响，但没有考虑形貌特征变化对节理面吻合度降低的影响，因此，导致修正之后的节理面抗剪强度依然略有偏大，但在多周期重复剪切作用下，节理面上、下盘的吻合度逐渐降低并趋于稳定，由此带来的计算结果误差也逐渐稳定在一定范围内。如何具体量化水-岩和重复剪切次序作用下节理面吻合度的变化，也是后续研究中亟待解决的问题。

4.   结论及讨论

（1）在水-岩和重复剪切次序作用下，节理面的抗剪强度、剪切刚度、粗糙度系数总体呈“先陡后缓”的劣化趋势。其中，由重复剪切导致的抗剪强度劣化趋势在初始状态时较为明显，之后随水-岩作用周期的增加迅速减弱；由水-岩作用导致的抗剪强度劣化趋势在前6个水-岩作用周期较为明显，随后趋于平缓。

（2）考虑水-岩作用和重复剪切对节理岩体的累积损伤效应，将节理面岩壁的损伤区域分为水-岩作用损伤区域、水-岩和重复剪切次序作用损伤区域，并采用剪切刚度的劣化来表征重复剪切作用下节理面岩壁强度的损伤效应，建立了考虑水-岩和重复剪切次序作用损伤效应的节理面JRC-JCS抗剪强度模型，验证分析表明，修正之后的抗剪强度计算值与试验值吻合较好。

（3）在水库长期运行条件下，一方面，长期水-岩作用下会导致库岸边坡节理岩体逐渐损伤劣化，另一方面，在库水位变化、降雨、地震等因素作用下，库岸边坡可能出现持续性或者阶段性的重复剪切滑移，这个滑移过程会导致节理岩体力学性能的进一步劣化。因此，在库岸边坡节理岩体性能劣化分析中，要系统地考虑这两个方面因素的影响。