基于不同法向应力下硬-软互层岩体接触面抗剪特性的环剪试验研究

0 引言

我国西南煤矿区硬-软互层型岩质滑坡分布广泛，硬-软互层岩体由自然与地质力共同作用形成，在外部力侵扰下极易发生崩滑地质灾害[1]。许多国内 体接触面进行了研究，但研究硬-软互层岩体接触面抗剪特性较少，因此通过环剪试验探究硬- 在大位移剪切作用下的破坏变形规律，可以了解硬-软互层岩体接触面剪切特性，为实际工程中岩石接触面相互作用问题提供了参考。

1 试验仪器及方案

试验采用ZSHJ-3 型全自动伺服动态控制环剪仪进行，由于难以从天然岩体中完整获取符合规格的硬-软互层环状试样，本研究采用重塑方法制备含岩层界面的环状试样。硬岩成分（石膏：水泥：铁粉：重晶石粉=1：2：2：1）[2]，软岩成分（页岩粉末：水泥=5：1）。试验将自然含水率重塑试样分别在不同法向应力 397.89 KPa、596.84 KPa、795.78 KPa （即 2 KN、3 KN、4 KN）条件下进行重塑-硬软互层岩体接触面环剪蠕变试验。

具体试验过程如下：首先进行单级直剪试验得到剪切破坏扭矩（峰值剪切强度），将试样处于397.89 KPa、596.84 KPa、795.78 KPa法向应力作用下维持 120min ，使试样固结，然后使试样所受法向应力趋于平稳后，以1N.m/s进行常规单级环剪试验，记录数据。根据单级直剪试验的数据，将试样在不同法向应力下的剪切破坏扭矩制定环剪蠕变试验的分级加载分级，先使其固结，当法向应力趋于平稳后开始进行环剪蠕变试验，以 0.1N.m/s 速率进行加载，按剪切破坏扭矩的 50% 、 60% 、 70% 、 80% 、 90% 、95 %（0.5T、0.6T、0.7T、0.8T、0.9T、0.95T）分为六级进行加载，各级应力加载时间为6 h，共计 36 h。

2 试验结果与分析

图1 给出了不同法向应力下硬-软 面的环剪蠕变全过程曲线，由图可知，在采用相同硬-软互层岩体接触面情况下，随着法向应力 应变逐级增大，从第三级剪切荷载开始，原本趋于重合的曲线逐 著增大，反映出法向应力对硬-软互层岩体接触面的蠕变行 变曲线呈现剪应变随时间持续增长的趋势，其主要机理在于高应力 续累积，包括矿物颗粒破碎、结构软化及孔隙水压力上升等物理过程。这些因素 抗剪强度逐渐弱化，最终诱发破坏。

对图1 中的数据进行分析处理，绘制得到分级加载条件下的蠕变曲线，如图 2 所示。从图中可以清晰地识别出，硬-软互层岩体接触面的蠕变过程可分为三个典型阶段：瞬时变形阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段[3]。在瞬时变形阶段，曲线初始段呈现出明显的陡峭上升趋势，表明材料在加载瞬间主要发生弹性变形。进入稳态蠕变阶段后，曲线在各扭矩等级下呈缓慢增长，剪应变随时间近似匀速增加，变形趋于稳定。法向应力对该阶段的蠕变速率具有显著影响，法向应力越高，同一扭矩等级下的稳态蠕变速率越大。这是由于高法向应力提高了接触面内部的应力水平，促使微观结构（如裂隙扩展、颗粒滑移等）更易发生调整，从而加速了变形进程。在加速蠕变阶段，曲线末端出现明显上翘，应变率持续增大，标志着材料渐进至破坏阶段。

图 1 环剪蠕变全过程图

（a） 397.89 KPa 法向应力

（b） 596.84 KPa 法向应力

（c） 795.78 KPa 法向应力

图2 不同法向应力下分级加载图

3 结论

（1）法向应力是控制硬-软互层岩体接触面蠕变行为的关键因素，高法向应力会显著加剧内部损伤累积，导致抗剪强度持续衰减并最终引发破坏。（2）硬-软互层岩体接触面的蠕变过程表现出典型的三阶段特征，法向应力通过提升内部应力水平促进微观结构调整，从而显著增强稳态蠕变阶段的蠕变速率。

参考文献：

[1] 韩猛.露天煤矿软岩边坡系统性失稳及稳定控制研究[J].煤矿安全，2025，56（08）：179-184.

[2] Qiyi L ，Jianjun Z ，Bin S ， et al.Deformation evolution of landslides induced by coal mining in mountainous areas： case study of the Madaling landslide，Guizhou，China[J].Landslides，2023，20（9）：2003-201

[3] 段会强.煤样分级加载蠕变破坏试验研究[J].煤矿安全，2021，52（07）：54-60.

基金资助：贵州大学实验室开放项目（SYSKF2025-085）；贵州大学大学生创新创业训练计划项目（项目编号：gzusc2024082）