充填节理剪切力学特性研究进展：从试验规律到强度模型

《Results in Earth Sciences》：Effects of Infilling Materials on Shear Properties of Rock Joints: A review and prospects

为解决工程岩体中软弱夹层稳定性评估难题，研究人员系统综述了充填节理的剪切力学特性研究。通过分析16项关键研究，揭示了充填厚度、材料性质、边界条件和水含量对节理强度的耦合影响规律，建立了考虑充填状态的剪切强度模型，为岩体工程稳定性设计提供了重要理论依据。

　　

在地质工程和岩石力学领域，岩体中的节理（结构面）是控制工程稳定性的关键因素。自然界中的岩体节理往往被各种材料充填，如粘土、砂土、岩屑或化学沉淀物，形成所谓的"充填节理"。这些充填物如同岩体中的"软弱夹层"，显著改变了节理的力学性质，成为边坡失稳、隧道塌方和地基沉降等工程地质灾害的潜在诱因。

长期以来，工程师们面临一个棘手难题：如何准确预测充填节理在复杂应力环境下的剪切强度？传统理论多基于理想化的光滑节理或未充填节理建立，而实际工程中的节理不仅形态不规则，还常含有厚度不一的充填物，且受地下水、循环荷载等多种因素影响。这种理论与现实的脱节，导致许多工程设计方案要么过于保守造成浪费，要么冒险引发事故。

为揭开充填节理力学行为的神秘面纱，研究人员在《Results in Earth Sciences》上发表了系统性的综述研究。他们整合分析了16项关键实验研究，涵盖从规则锯齿状节理到天然粗糙节理的各种类型，探究了充填厚度、材料性质、边界条件、水含量及循环荷载等因素对节理剪切特性的影响机制，并评估了现有强度模型的适用性与局限性。

研究团队通过文献调研和数据分析相结合的方法，系统梳理了充填节理剪切试验的主要成果。他们重点关注不同充填状态（厚度比t/a）、材料类型（粘土、砂土、水泥等）、边界条件（恒定法向刚度CNS与恒定法向荷载CNL）、水含量及循环剪切次数等关键参数对节理峰值强度、剪切刚度和残余强度的定量影响规律。基于大量试验数据，研究人员对比评估了Ladanyi-Archambault模型、Indraratna模型、Sun模型等多种充填节理强度模型的预测精度和适用范围，揭示了现有模型在描述天然粗糙节理和考虑尺寸效应方面的不足。

充填厚度对节理剪切特性的影响规律

随着充填厚度与节理起伏幅度比值（t/a）增大，节理剪切强度呈现先缓慢下降后急剧降低的变化趋势。当t/a达到临界值（通常为1.0-2.0）时，节理强度趋于稳定并接近充填材料本身的强度。这一现象源于充填物对节理齿坎相互作用的"屏蔽效应"：薄充填时岩壁齿坎仍能接触互锁，提供较高强度；充填过厚时剪切完全发生在充填材料内部，节理面形态影响可忽略不计。剪切刚度随充填厚度增加而单调降低，残余强度则下降幅度较小。

充填材料性质对剪切行为的控制作用

充填材料强度直接决定节理剪切特性。高强度充填物（如水泥）能保持节理齿坎互锁，产生剪胀行为，峰后强度衰减明显；低强度材料（如膨润土）则导致节理以滑移破坏为主，峰后曲线平缓。实验表明，石膏充填节理的峰值强度（3.8MPa）显著高于岩屑充填（3.0MPa）和黄泥充填（2.6MPa）节理，且强充填材料促进剪胀，弱充填材料引起剪缩。

边界条件的力学响应差异

恒定法向刚度（CNS）条件下，节理剪胀会引起法向应力增加，从而产生更高的峰值剪切强度但较小的法向位移；而恒定法向荷载（CNL）条件下法向应力保持不变，节理可自由剪胀，导致较低峰值强度和较大位移。这种差异在低初始法向应力和高粗糙度节理中尤为显著，但随着应力水平提高而减弱。直节理受边界条件影响较小。

水含量对软弱节理的软化效应

水含量增加通过润滑作用降低充填节理界面咬合能力，同时改变充填物相态（固态→塑态→液态），显著弱化其抗剪强度。例如，红粘土充填节理在水含量从20%增至40%时，归一化剪切强度在不同法向应力下（100-400kPa）降低0.4-1.175。水含量提高还导致剪切刚度下降，但使峰后强度衰减变得平缓。值得注意的是，粘土质充填物的强度随水含量变化可能呈现先降后升再降的非单调规律。

循环荷载作用的累积损伤效应

随剪切循环次数增加，充填节理的峰值剪切强度和法向位移均逐渐减小，初期衰减迅速后期趋于平缓。循环损伤程度受节理粗糙度、法向应力和充填材料类型共同影响：高粗糙度节理强度损失更显著，水泥类充填节理可能出现强度先降后升的"再强化"现象，而粘土充填节理则表现为持续软化。

充填节理剪切强度模型的发展与局限

基于试验规律，研究者建立了多种强度模型。Ladanyi-Archambault模型首次引入折减系数描述齿坎剪切与未剪切状态；Indraratna模型采用归一化形式将强度分解为节理贡献和充填贡献两部分；Sun模型针对注浆节理考虑了三维形貌参数。然而，现有模型大多基于规则锯齿节理试验推导，对天然粗糙节理的适用性有限，且普遍低估节理面贡献而高估充填材料贡献。特别是对高强度充填（如水泥），现有模型无法准确描述其强化效应。

尺寸效应的复杂性与未解难题

节理形态特征和岩石力学性质均存在尺寸效应，但规律不一致：有些材料呈现正尺寸效应（强度随尺寸增大而增加），有些为负尺寸效应，还有些无明显规律。这种复杂性使得实验室小尺度试验结果外推至现场工程尺度存在不确定性，而充填节理的尺寸效应研究几乎空白，成为理论模型走向工程应用的瓶颈。

这项研究系统揭示了充填节理剪切力学特性的控制因素和影响规律，建立了强度预测模型框架，为岩体工程稳定性分析和设计提供了重要理论基础。然而，天然粗糙节理的强度模型、考虑尺寸效应的尺度律、多场耦合条件下（水-力-化学）的长期强度演化等挑战仍有待深入探索。未来研究需结合先进实验技术、数值模拟和现场监测，发展能够真实反映地质条件复杂性的充填节理力学理论，最终实现岩体工程安全性与经济性的最优平衡。