閉合斷線節(jié)理巖體的破壞試驗及破壞機理研究

1基于模型試驗的巖體力學特性研究由于大型巖體工程通常選擇巖石性質(zhì)較好的巖石基或圍巖，因此在工程巖體的力學特性方面起著主要作用的節(jié)理通常是連續(xù)的。斷裂帶的擴展、分離和互聯(lián)是斷裂帶的常見過程，研究巖石節(jié)理面的形成機制和巖體穩(wěn)定性是巖石節(jié)理面形成機制和巖體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。我們可以提高對巖體變形和力特性的認識，闡明巖體強度的本質(zhì)，改進現(xiàn)有巖體強度預測理論和方法的不足，提高巖體工程的合理性和可靠性。目前,研究斷續(xù)節(jié)理巖體力學特性的方法主要為試驗研究、數(shù)值分析和理論分析.本文主要采用模型試驗對含不同尺寸、不同排列分布型式節(jié)理的巖體進行平面應力加載條件下的破壞試驗,應用自行研制的高壓柔性加載裝置施加邊界荷載,用千分表和激光散斑照相技術(shù)量測試體位移場,用應變花量測試體平面應力場.通過對試體加載過程中應力場和位移場的測定,尋求閉合斷續(xù)節(jié)理巖體變形和破壞過程發(fā)展規(guī)律,探索節(jié)理擴展演化規(guī)律及貫通破壞機理同時也為數(shù)值分析和數(shù)值模型驗證提供依據(jù)2模型試驗設(shè)計2.1相似材料的篩選本研究為基礎(chǔ)研究課題,不針對具體工程對象.相似材料選取原則主要有:(1)盡可能地相似于天然脆性巖石,且使其模數(shù)比和壓拉比盡可能大,其節(jié)理面的力學特性盡可能地相似于天然脆性巖體中的節(jié)理面.(2)考慮RMT-64剛性壓力機的油缸出力系數(shù)較大,選用強度較高的模型材料.(3)盡可能地均質(zhì),細顆粒及低空隙度.基此,相似材料選用沙∶石膏∶水=3∶3∶2(重量比)的混合料,其中沙為粒徑<0.3mm的特細沙.其物理力學參數(shù)詳見文獻.2.2最大油壓的測定試驗加載鋼框架內(nèi)空高:80cm、寬80cm、厚20cm.加壓裝置采用自行研制的高壓柔性油壓橡皮囊.施加垂向荷載的橡皮囊出力腔長30cm、寬7cm,能承受的最大油壓達20MPa;施加側(cè)向荷載的橡皮囊出力腔長40cm、寬7cm,最大耐壓14MPa,其標定曲線線性規(guī)律好.傳力柱為厚2cm、高6cm、一側(cè)寬7cm、另一側(cè)寬10cm的工字形小鋼塊,垂向和側(cè)向各并排布置15和20個傳力柱,傳力柱間需減摩.傳力柱與橡皮囊、試體接觸的表面均被刨光,試體四周覆二層聚四氟乙烯薄膜,以減少切向摩阻力.各傳力柱間的最大位移差可達15mm.2.3試件的制作、成型和干燥根據(jù)節(jié)理分布型式、側(cè)向水平壓力、量測方法等因素的不同組合,共計進行了六種工況試驗(表1).制作試體的模具內(nèi)空長40cm,寬30cm,高10cm.制作試件時,先將拌合均勻的混合料倒入模子中搗實成形,然后將預先確定的一定寬度的薄鋼片沿鉛直方向插入預定位置,待混合料初凝時抽出,利用石膏混合料在氣凝過程中發(fā)熱膨脹的特點使裂隙面完全閉合.再過30分鐘后便拆模.待試件完全干燥后即可用于試驗.2.4試驗結(jié)果的測量應用激光散斑照相技術(shù)量測巖土工程中的位移在國內(nèi)外己較廣泛,但將其應用于斷續(xù)節(jié)理巖體在單或雙軸壓力加載條件下的破壞試驗的全場位移量測尚屬首次因是初次嘗試特將其與傳統(tǒng)千分表測讀平行使用,以便相互檢驗,更加明確各種量測方法的優(yōu)缺點并完善之,使試驗結(jié)果更可靠.另外,還采用應變花這種電測傳感元件通過測定某點三個方向上的應變值來間接求出某點主應力值(圖1).2.4.1雙塊式鋼架內(nèi)裂紋位移檢測千分表主要布置在試體表面沿節(jié)理兩側(cè)及預計將有裂紋通過的兩側(cè),以測定節(jié)理和翼裂紋的錯動位移和張開位移,并與相應激光散斑測點的水平和垂直位移進行比較.同時還在加載框架內(nèi)表面上、下各布置一個千分表,以測定因框架剛度不足而引起的剛體位移.千分表共布置8～12個,安裝在獨立于加荷系統(tǒng)和反力系統(tǒng)以外的鋼架上.2.4.2應變花的選用在節(jié)理兩側(cè)、節(jié)理尖端及預估貫通破壞路徑通過的巖橋等位置,布置16～20片應變花.所選用的應變花型號為BQ120—3CA,阻值120±0.2%,靈敏系數(shù)1.9±0.62%.棚長×棚寬:3×2的紙基浸膠箔式應變計.應變觀測采用國產(chǎn)YJ-X4型靜態(tài)電阻應變儀和PX—20A預調(diào)平衡箱.2.4.3試驗方法和過程控制用千分表等有接觸式量測位移的方法測點有限,難以測到全場位移.激光散斑照相技術(shù)是一種非接觸式量測,無損模型,可測全場位移,靈敏度和精度高.測點共約布置130個,在節(jié)理兩側(cè)稍作加密,其余大致均勻分布.提取位移信息的方法有全場分析法和逐點分析法.因全場分析法精度較低,本試驗采用精度較高的逐點分析法提取位移信息(圖3).物體上某點的位移di為:di=,式中:λ為光波波長,L為底片至衍射屏的距離,M為拍攝散斑圖時成像放大倍數(shù),Bi為條紋間距.與干涉條紋垂直的方向即為位移矢量的方向.散斑圖中所提取的位移中還含有剛體位移,須加以扣除.(2)試驗過程控制:由于散斑測量中每步拍攝記錄的位移量測范圍有限,為3μm～350μm,因此每級荷載的加荷步長過大或過小都將有可能使干涉條紋太密或太疏而讀取不出位移值從而導致位移量測誤差增大甚至失敗所以必須對試驗過程中的加荷步長拍照頻率、曝光時間等試驗參數(shù)進行控制,確保試驗數(shù)據(jù)準確可靠不丟失.為此,可據(jù)前四個試體的千分表測值大致確定每級加荷步長,同時在試驗過程中,及時沖洗出雙曝光散斑底片,視其條紋疏密實時作出反饋控制.另外,還要使同一級荷載下前后二次曝光間的時間間隔盡可能短,以防在該時間段內(nèi)因試體的蠕變而丟失部分位移值.2.5加荷曝光時間的確定首先安裝好試體、側(cè)向及垂向橡皮囊,接著安裝千分表,把應變花接線頭按序接至應變箱上,對各應變片校正、調(diào)零,同時打開激光器,調(diào)節(jié)好光路、光場、照相機焦距和光圈,確定合適的曝光時間.加載前,記錄下千分表、應變花的初讀數(shù).接著施加水平向荷載至預定應力,記錄千分表、應變花讀數(shù),同時進行第一次曝光.然后施加各級垂向荷載,對每級加荷前后各曝光一次.得到各級加荷下的雙曝光散斑圖,同時記錄各級荷載下的千分表、應變花讀數(shù).3試驗結(jié)果及分析3.1激光散斑法與激光散斑法的比較對工況5、6中激光散斑法和千分表所測得的各對應測點的位移值進行比較分析(表2)可見,對垂向分量,千分表比激光散斑法測值大12%-17%;在節(jié)理起裂擴展后,隨荷載增加,二者差異有微弱增加.對水平分量,千分表比激光散斑法測值大15%-27%,明顯比垂向大;在節(jié)理起裂擴展后,隨荷載增加,二者差異有較明顯增加,工況5由17%增至27%,工況6由18%增至24.5%.節(jié)理初裂前,水平和垂向分量的二者差異幾乎相同.這是由于激光散斑法在換干板的時間段內(nèi)因試樣蠕變而丟失部分位移所致.盡管激光散斑法與千分表測值存在一定差異,但其誤差仍在允許范圍內(nèi),且不影響試體變形的總體特征因此其所測得的全場位移是可信的3.2節(jié)理端面的拉應力分布據(jù)應變花所測結(jié)果(圖4)可見,在節(jié)理尖端產(chǎn)生翼裂紋的—側(cè)巖橋中產(chǎn)生拉應力集中,與該拉應力集中區(qū),e1為壓應力.與垂向成小角度相交,e2為拉應力,與水平向成小角度相交,處于拉壓應力狀態(tài).而在節(jié)理尖端的另一側(cè)出現(xiàn)壓應力集中,在該壓應力集中區(qū),e1、e2都為壓應力,處于雙向壓力狀態(tài).初裂前節(jié)理尖端拉應力集中顯著,但拉應力區(qū)分布范圍小,變化梯度大.而壓應力集中區(qū)分布范圍較大,變化梯度相對較小.節(jié)理尖端的初裂主要受拉應力控制.節(jié)理尖端的拉應力集中隨翼裂紋的產(chǎn)生和擴展而逐漸釋放,撕拉裂面應力則自動分配到相鄰單元.主拉應力量值減小,拉應力區(qū)域擴大,變化梯度減小.壓應力集中隨張拉裂紋擴展而不斷加劇,壓應力集中區(qū)仍在節(jié)理尖端附近.變化范圍不大.拉應力集中區(qū)仍為拉壓應力狀態(tài),壓應力集中區(qū)仍為雙向受壓狀態(tài).和初裂前相比,主應力的絕對值均有不同程度的減小.3.3節(jié)理面法向相對位移的位移場表現(xiàn)為從激光散斑法所測得的位移場(圖5)看出,在同一級荷載下,試體從上向下垂向位移明顯減小,左右兩側(cè)的垂向位移基本相等,此乃試體上邊界為主動加載邊界、下邊界為固定約束所致.水平位移在試體中間較小、兩側(cè)較大,且都指向兩側(cè)邊界.在軸壓較小時,整個試體的位移場均勻連續(xù).隨著軸壓的增大,邊節(jié)理兩側(cè)的位移首先出現(xiàn)不連續(xù),兩側(cè)對應點的位移矢量方向和大小出現(xiàn)較大差異,此時可見節(jié)理出露縫表面上的脆皮因錯動而皺起,很快整個節(jié)理都發(fā)生相對錯動.節(jié)理尖端出現(xiàn)翼裂紋,翼裂紋兩側(cè)的位移出現(xiàn)不連續(xù),兩側(cè)對應點的位移矢量大小和方向出現(xiàn)較大差異.當軸壓進一步增加時,翼裂紋貫通,形成一個宏觀破壞面,此時破壞面兩側(cè)的位移出現(xiàn)明顯的不連續(xù),以破壞面為分界線,左右兩半試體分別向左右移動.位移場不僅反映了試體的變形特征,而且反映了節(jié)理錯動、節(jié)理尖端起裂、擴展、最后貫通破壞的破裂發(fā)展全過程.據(jù)試體垂向位移與荷載的關(guān)系曲線(圖6),以工況6為例,在軸壓為0.525MPa之前,曲線斜率較小,隨后斜率增大,試體處于彈性階段.當軸壓增至2.17MPa時,曲線斜率明顯減小.此時可觀察到節(jié)理的錯動,當軸壓達2.73MPa時,曲線斜率很小,位移出現(xiàn)一個明顯的階躍.此時可觀察到節(jié)理尖端發(fā)生初裂,出現(xiàn)翼裂紋.軸壓繼續(xù)增至3.01MPa后,曲線斜率又有明顯增大.此段對應翼裂紋穩(wěn)定擴展階段.當軸壓達4.06MPa后,曲線斜率又明顯降低,位移發(fā)生突變.在軸壓保持不變情況下,位移持續(xù)增加,此時翼裂紋貫通,試體發(fā)生宏觀破壞.據(jù)節(jié)理面相對錯動位移、翼裂紋張開位移與荷載的關(guān)系曲線(圖7),在工況5中,在軸壓大于1.12MPa后,上部邊節(jié)理開始有錯動位移.緊接著是該邊節(jié)理尖端出現(xiàn)張開位移,表明翼裂紋已形成,但此時肉眼未見翼裂紋.當軸壓大于1.96MPa后,相繼出現(xiàn)中間節(jié)理的錯動和其尖端的起裂張開,及離節(jié)理尖端較遠的巖橋中部由于翼裂紋擴展而產(chǎn)生張開位移.當軸壓達2.45MPa后,節(jié)理錯動位移和翼裂紋的張開位移都急劇增大,表明試體己貫通破壞.在工況6中,軸壓至2.17MPa時,節(jié)理面開始錯動.軸壓達2.73MPa后,節(jié)理面錯動位移出現(xiàn)一個明顯的階躍,節(jié)理尖端也出現(xiàn)明顯的張開位移,表明節(jié)理尖端初裂的發(fā)生和翼裂紋的出現(xiàn).當軸壓至3.01MPa后,各曲線斜率穩(wěn)定,表明此時節(jié)理面錯動位移、翼裂紋張開位移穩(wěn)定發(fā)展,為翼裂紋穩(wěn)定擴展階段.當軸壓至4.06MPa后,各曲線斜率顯著變小,位移急劇增加,表明翼裂紋貫通,試體失穩(wěn)破壞.從節(jié)理面法向相對位移翼裂紋兩側(cè)相對錯動位移與荷載的關(guān)系曲線圖可見節(jié)理面法向相對位移在試件貫通破壞前只有微量閉合.待試體貫通破壞后,由于節(jié)理面的大幅度錯動而使節(jié)理面出現(xiàn)顯著法向閉合位移.在試體貫通破壞前,翼裂紋幾乎不發(fā)生相對錯動位移,只有在試體發(fā)生貫通破壞后,翼裂紋兩側(cè)才因宏觀剪切破壞面的滑動而出現(xiàn)顯著的錯動位移.4試驗破壞過程(1)所研制的高壓柔性油壓橡皮囊出力均勻且較大,可達20MPa,與試體加載表面呈柔性接觸,各傳力柱間的最大位移差可達15mm,標定曲線線性規(guī)律好.(2)激光散斑法應用于斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞試驗中,所測位移場規(guī)律性好,比對應點的千分表測值偏小14%左右.但此誤差可通過應用數(shù)字圖像處理技術(shù)達到自動采集和處理圖像來基本消除.(3)閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的變形和破壞過程具有明顯的階段性.隨荷載的增加,試體經(jīng)歷線彈性階段、節(jié)理面錯動、節(jié)理尖端的起裂并擴展、直至貫穿巖橋最終失穩(wěn)破壞的全過程.巖橋的破壞由拉破裂所控制.(4)翼裂紋的初裂角約75°,爾后隨荷載增加,擴展路徑較快轉(zhuǎn)向最大主應力方向.(1)基本原理:在漫反射物體受到相干光源照射時,在物體表面前的空間將形成無數(shù)隨機分布的明暗相間的斑點(即散斑),經(jīng)過成像系統(tǒng)在底片上獲得散斑圖,此即激光散斑照相(圖2).當物體表面運動時,散斑場按一定規(guī)律作相應運動.對物體變形前后分別進行二次曝光,在同一張全息干板上記錄了雙曝光散斑圖,圖中含有物體表面的面內(nèi)位移信息.從試驗后破壞試體中測得,翼裂紋的初裂角為68°～81°,平均約75°,這與按純Ⅱ型剪切斷裂算得的初裂角十分接近.同時可見,隨軸壓增大,翼裂紋的擴展路徑由初裂方向較快轉(zhuǎn)向最大主壓應力方