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标题
Title
期刊: Géotechnique
作者：Qian Hu；Heng Zhao；Dong Su；Yanan Liu；Xiangsheng Chen*
年份：2024
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摘要
混凝土-岩石节理粗糙度的内在随机性给分析其剪切行为带来了挑战。传统上，理论模型通过将这些复杂的几何形状近似为规则的三角形凸起，从而简化了这些复杂的几何形状。本研究提出了一种新的微观力学模型来模拟剪切行为。该模型通过将不同的凸起高度视为高斯分布，考虑了节理轮廓的复杂和随机粗糙度。确定了单个凸起之间的局部应力分布。获得了一个映射节理扩容与凸起高度的破坏包络线，使我们能够确定单个凸起的临界节理扩容，在该扩容下会导致单个凸起失效。引入了剪切面积比参数，该参数捕获了失效凸起相对于所有凸起的比例，并推导出了其半解析解。此外，根据实验室观察确定了楔形平面破坏面，并获得了估计破坏后残余阻力的方程。对具有一系列几何形状的岩石/混凝土节理进行了一系列直接剪切试验，以验证所提出的模型，并且预测性能和实测性能之间取得了相当接近的一致性。使用所提出的方法对嵌岩钻孔桩的现场试验结果进行了额外的案例研究。结果与实测数据显示出良好的一致性，证明了所提出方法的有效性和实用性。
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图表
Fig.1 粗糙度剖面：(a) 天然岩石节理；(b) 概念化岩石节理
Fig.5 锯齿的楔形破坏平面，仿照 Zhao et al.（2021 年）
Fig. 6 受对立混凝土表面和母岩表面约束的碎石相对滑动运动
Fig. 8b (a) 磨蚀面高度的累积概率 p = (hi)，以及 (b) 磨蚀面高度为高斯分布（均值 =5.5mm，标准偏差 s=1.5mm）的联合剖面的相应磨蚀面高度 hi = (p)，以及累积概率
Fig. 9a
Fig. 11 在 θn0 = 400kPa 和 K = 600kPa 的 M1 岩石/混凝土连接情况下，本研究通过直接剪切试验获得的典型剪应力-位移响应
Fig. 12a 根据提出的方法和实验室测试结果得出的混凝土/砂岩接缝剪应力-位移曲线比较：(a) M1 剖面；
Fig.17 a 高度分布标准偏差的影响对剪切应力比
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结论
本文提出了一个基于力学的模型，以预测在 CNS 条件下三角形混凝土 - 岩石节理的剪切行为。该模型能够有效考虑节理轮廓的不规则凸起高度，同时通过解析解可迅速求解。它弥补了先前研究留下的知识空缺，即确定在剪切过程中对于不规则节理轮廓，发生剪切失效与未失效的凸起在滑动时的动态部分。这是通过获取基于凸起高度遵循高斯分布这一合理假设的剪切面积比 as 的解析解来达成的。该模型仅需 3 个简单的几何参数（凸起高度的均值 μ 和标准差 s 以及凸起角度 ψ）来描述节理粗糙度，5 个基本的岩石特性参数（内摩擦角 φ、内聚力 c、杨氏模量 E、泊松比 υ、滑动摩擦角 φb），这些参数可通过常规实验室测试获取，以及适当的边界条件（法向刚度和初始法向应力）方面的知识。
基于力学条件，提出了估算滑动过程中单个凸起之间局部应力分布的方程。基于其高度 hi ，证明了这些单个凸起的峰值剪切应力的超越是依次发生的，在特定高度 hi 的特定凸起失效时的临界节理扩张 yc 遵循凸起高度 hi 的双曲线函数。此 yc - hi 包络线至关重要，因其提供了量化凸起失效程度的方法。
通过假设沿失效面失效的碎屑进行约束滑动运动，确定了估算失效后残余阻力的方程。基于 yc - hi 包络线和高斯分布的凸起高度概念化模型，获得了求解剪切面积比 as 的半解析解。
基于力学模型获得了完整的剪切应力 - 位移响应，其捕捉了运动的基本机制，包括单个凸起的同时滑动和剪切、荷载分担以及峰后行为。随着均值 μ 和凸起角度 ψ 的增加，峰值剪切强度显著提高。相反，当标准差 s 增大时，峰值剪切强度略有下降。
该方法存在固有的局限性和假设。即在提出的方程推导过程中，未考虑单个凸起角度变化对剪切行为的影响。然而，本研究的重要意义在于仅基于理论基础就预测了实验室中具有不同高度凸起的复杂混凝土/岩石节理轮廓的剪切行为；且使用所提方法所得结果与岩石中全尺寸钻孔灌注桩的荷载试验数据高度吻合。
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参考文献
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