裂隙角度和分布密度对多裂隙水泥砂浆破坏强度的影响

裂隙角度和分布密度对多裂隙水泥砂浆破坏强度的影响

1含裂隙岩体结构的裂隙分布特性错误、节理、层理等结构薄弱通常存在于地下工程的环境中。岩体结构的力学特性受到不同程度的影响，给地下工程的建设带来了很大的困难和不确定性。考虑到大型现场试验的困难,现有的针对实际裂隙岩体破坏过程的研究主要借助室内类岩石材料来完成,掌握多裂隙岩体力学性能的变化规律,对于地下结构施工方式的选择具有很重要的指导意义。因此,对多裂隙类岩石材料的断裂破坏规律进行研究,无论从理论还是工程实际中都具有十分重要的意义天然岩体结构是一种复杂的多相材料,内部存在的裂隙无序分布且尺寸不一,多年来的研究表明,含连续和含断续节理裂隙岩体的破坏和失稳最终都是通过岩体内部这些不连续面的张开、闭合和扩展而产生的贯通滑移面引起的。微观结构上,裂隙尖端应力分布状态仅与裂隙形态有关,裂隙分布状态相同时尖端微裂纹扩展方式具有比较相似的规律。陶振宇、赵震英等分别采用聚四氟乙烯薄片、云母片模拟分布节理,对随机节理岩体的力学特性进行了研究。张平等在前人实验的基础上,采用预埋插片制作闭合裂隙试件,对动静载荷作用下裂隙两两间的扩展、贯通过程及影响因素进行了分析。车法星、黎立云采用预埋锯片的方式制作有序及无序多裂隙体,研究了裂隙倾角影响下单压及双压时宏观等效强度,等效弹性模量及泊松比的变化规律。但是,对多裂隙类岩石材料在不同裂隙角度及裂隙分布密度双重因素影响下的断裂破坏,尚没有可靠的试验及理论研究。本文从裂隙角度及分布密度共同影响的角度出发,探索双重因素影响下多裂隙类岩石材料的断裂破坏规律。2制作和测试测试2.1裂隙发育类型试件使用C42.5的白水泥、自来水,经1.05mm孔径筛分过的细砂按体积比2:1:1室温下制作并养护试件。试件外形尺寸为200mm×150mm×30mm;采用试件养护中预埋厚度为0.4mm的铝合金薄片预制闭合贯通裂隙,裂隙长度为20mm,养护结束后检测裂隙闭合情况。裂隙倾角a设置为25°、45°、75°和90°4组,每组预制5、10、15、20、25条和30条有序贯通裂隙(每5条1排)6种类型试件,每种类型试件制作3个。试件中裂隙布置方式如图1所示。2.2试验加载过程试验加载装置采用高精度能控制加载速度的电液伺服控制试验机,见图2。配合DCS-200操作软件,在200N/S的力控加载速度下测定试件加载过程中的荷载与纵向位移值,并绘出荷载-位移全过程曲线。试验时,在试件上下受压端与机头钢块之间布置预先涂抹黄油的橡皮垫,以减弱端部效应的影响;试件中部放置千分表,表征试件受压过程中的横向变形特性。3应变软化模型为验证本次试验过程与结果的可靠性,应用FLAC3D程序,根据本次试验所用试件材料建立应变软化(表1)模型(模型包含169157个单元和36802个节点)。根据试验环境,设置边界条件,采用9×10-8米/步的位移控制加载速率对数值分析模型进行单向加载。数值模型所用材料参数,根据同等条件下制作养护试件的参数试验确定,见表2。4试验与价值模型的比较4.1裂隙端面微裂纹搭接与贯通试验通过对试验过程中不同试件组破坏过程对比发现,试验与数值模拟的试件破坏模式基本吻合;裂隙倾角在影响裂隙体微裂纹的贯通方式和整体破坏模式上起主导作用;裂隙分布密度对裂隙体整体破坏型式的影响程度并不相同,这种差异与裂隙倾角有关。限于篇幅,本文仅列举倾角25°时不同裂隙分布密度条件下多裂隙体试验过程中裂隙微裂纹起裂、贯通破坏过程图(图3(a)~8(a))与数值模拟过程中裂隙微裂纹起裂、贯通破坏过程图(图3(b)~8(b))。同时,附带说明倾角45°、75°和90°裂隙体试件的破坏型式,从材料的宏观破坏过程探究裂隙倾角及分布密度对多裂隙材料破坏模式的影响。如图3所示,单排贯通裂隙情况下,裂隙体的破坏始于裂隙尖端次生倾斜裂纹的发育,继续加载,次生倾斜裂纹逐渐发育、搭接,直至试件整体发生破坏。对比其他组试验发现,25°与45°裂隙体的破坏模式几乎相同,首先在试件两侧的裂隙尖端发育出翼裂纹,翼裂纹发育受到阻碍时,试件两侧裂隙尖端开始发育次生倾斜裂纹,继续加载,试件内部裂隙尖端开始出现次生倾斜裂纹,并相互搭接、贯通,直至试件产生横向贯通裂隙;75°倾角裂隙体虽然有相似的破坏模式,但由于岩桥倾角比较大,裂隙尖端次生倾斜裂纹出现比较晚,但搭接、贯通很快,且不如倾角较小时规则。此裂隙分布密度下90°倾角裂隙体没有发现裂隙尖端微裂纹的发育、搭接与贯通的实验现象。裂隙增加至2排时,以同排裂隙尖端次生倾斜裂纹搭接、贯通破坏为主(图4)。加载初期,因2排裂隙间岩桥过长,翼形裂纹搭接、贯通困难;继续加载时,2排裂隙尖端均有次生倾斜裂纹发育,且靠近加载端一排裂隙间次生倾斜裂纹首先发生贯通并致使整个试件发生破坏。对比其他组试验发现,25°和45°倾角裂隙体试件破坏模式基本相同;75°倾角裂隙体由于裂隙倾角过大,而次生倾斜裂纹垂直裂隙发育、扩展,因此搭接困难,试验过程中出现2排裂隙间少数翼裂纹的搭接、贯通破坏现象,数值模拟过程中也发现这一相同破坏现象。此裂隙分布密度下试验与数值模拟过程中均没有发现90°倾角裂隙体裂隙尖端微裂纹发育、搭接与贯通的实验现象。裂隙增加至3排时,裂隙体试件破坏模式发生了变化(图5),加载初期,裂隙尖端首先发育翼裂纹,继续加载,裂隙尖端开始出现次生倾斜裂纹,位于与裂隙走向相同的斜对角线上的裂隙尖端翼裂纹开始相互搭接、贯通,直至裂隙体整体发生破坏。对比其他组试验发现,45°裂隙体裂纹发育与试件破坏模式与25°倾角条件下基本相同;75°倾角裂隙体,翼裂纹的发育主要集中在试件两侧的裂隙尖端,且翼裂纹出现比较晚,发育速度比较快,试件破坏源于两侧翼裂纹的搭接、贯通,试件内部不见翼裂纹的发育;这一破坏模式与数值模拟结果有差异,数值模拟试件破坏源于两侧裂隙尖端翼裂纹的搭接、贯通,但试件内部裂隙尖端翼裂纹也有搭接、贯通现象出现。此裂隙分布密度下没有发现90°倾角裂隙体裂隙尖端微裂纹发育、搭接与贯通的试验现象。随着裂隙分布密度的进一步增大(图6),相邻2排裂隙间岩桥长度进一步减小,裂隙尖端翼裂纹出现时间比15条裂隙试件更早,且次生倾斜裂纹很少出现;继续加载,位于与裂隙走向相同的斜对角线上的裂隙尖端翼裂纹发育较快,并形成贯通裂隙。对比其他组试验发现,45°倾角裂隙体破坏模式类似于25°倾角情况;75°倾角裂隙体,依然是在试件两侧裂隙尖端初始发育翼裂纹,试件破坏起始于两侧翼裂纹的搭接、贯通;继续加载,翼裂纹的搭接、贯通向试件内部发展。此裂隙分布密度下仍然没有发现90°倾角裂隙体裂隙尖端微裂纹发育、搭接与贯通的实验现象。如图7所示,相邻2排裂隙间岩桥长度及走向相比20条时并无变化,只是增加了裂隙体的裂隙数量,但在试验过程中发现,此分布密度下翼裂纹出现得更早,位于试件斜对角线上的裂隙尖端,几乎同时出现翼裂纹,并且很快搭接,形成贯通裂隙;继续加载,斜对角线两侧陆续出现翼裂纹,并相互搭接,直至试件在斜对角线上发生较大相对位移而破坏。对比其他组试验发现,45°倾角下这种破坏过程更为明显;75°倾角下相比20条多裂隙条件下的试件破坏模式并无差异。此裂隙分布密度下试验和数值模拟过程中也没有发现90°倾角裂隙体裂隙尖端微裂纹发育、搭接与贯通的试验现象。对比图6和图7发现,当多裂隙体裂隙倾角比较小时,在岩桥几何特征(长度和走向)保持不变的情况下,增大裂隙分布密度,试件的塑性变形特性会显著增强,且裂隙体内部裂纹扩展更为规则、均匀。继续增大裂隙体的裂隙分布密度,相同加载速率下,翼裂纹的初始发育时间早于25条裂隙体,且翼裂纹的发育速度比较缓慢,表现出更为明显的塑性特征是图8。相比25条裂隙体,试件内部翼裂纹的发育更充分,试验过程与数值模拟破坏模式相一致。对比其他组试验发现,25°和45°条件下试件破坏后期,翼裂纹几乎布满整个试件。45°裂隙体更加明显;75°倾角裂隙体,试验过程中仍然没有发现斜对角线上裂隙尖端翼裂纹贯通破坏模式,数值模拟显示有这一破坏现象,只是微裂纹的搭接、贯通比较凌乱,且位于斜对角线两侧的裂隙尖端均有翼裂纹的搭接、贯通现象出现。此裂隙分布密度下,也没有发现90°倾角裂隙体裂隙尖端微裂纹发育、搭接与贯通的实验现象。4.2裂隙分布密度对材料强度的影响笔者从裂隙角度和裂隙分布密度2个影响因素出发,对试验及数值模拟所得裂隙体类岩石材料单轴极限抗压强度数据分类整理、统计,分别绘于图9和图10。图9为裂隙倾角相同时裂隙分布密度的变化对多裂隙类岩石材料断裂破坏强度的影响规律,可见裂隙分布密度对类岩石材料强度分布的影响与裂隙角度的大小有关:裂隙角度较小(0°~25°)时,数值模拟所得多裂隙体模型单轴抗压强度随裂隙分布密度的增大而逐渐减小;随着裂隙角度的不断增大(25°~45°),裂隙数量少于25条时,材料强度随分布密度的增大而缓慢减小;裂隙分布密度继续增大时,模拟强度曲线不再下降,而略有上升,上升的程度与裂隙倾角有关:倾角较大时上升较小,倾角较小时上升较大;随着裂隙倾角的继续增大(75°附近),裂隙分布密度对材料强度的影响越来越弱;裂隙倾角继续增大(90°附近),几乎看不出裂隙分布密度对材料强度变化规律的影响。对比发现,试验所得90°倾角裂隙体强度约为无裂隙体强度(22MPa)的80%~90%,数值模拟分析模型所得90°倾角裂隙体强度相比无裂隙体强度(22MPa)削弱程度很小。图10为裂隙分布密度相同时裂隙倾角的变化对多裂隙类岩石材料断裂破坏强度的影响规律。数值模拟裂隙体强度曲线显示,单轴压缩下多裂隙体极限强度随裂隙倾角的增大而逐渐增大,在25°倾角时得到强度的最小值;倾角为0°时,强度比25°时有所提高;试验所得裂隙体强度变化规律与数值模拟结果基本吻合。角度较小时,贯通裂隙的存在对多裂隙体强度的削弱作用比较明显,试验值相比无裂隙材料强度削弱45%~55%,模拟值相比无裂隙材料削弱60%左右。试验数据和数值分析结果显示,裂隙对类岩石材料断裂破坏强度的削弱作用随裂隙倾角的增大而逐渐减弱。对比图9和图10,忽略脆性材料数据随机性的影响,试验所得均布多裂隙类岩石材料单轴压缩下强度变化规律与数值模拟所得强度变化规律相吻合。5裂隙分布密度的影响(1)不同的裂隙倾角对裂隙体宏观强度分布规律的影响比较显著。裂隙角度较小时,裂隙的存在,对多裂隙类岩石材料强度的削弱作用比较显著,25°倾角附近时最大,而随着裂隙角度的继续增大,裂隙的存在对类岩石材料强度的削弱作用也越来越弱。(2)不同的裂隙分布密度对裂隙体宏观强度分布规律的影响与裂隙倾角有关。裂隙倾角比较小时,分布密度对多裂隙类岩石材料宏观强度的影响才比较显著的体现出来,随着裂隙倾角的增大,裂隙分布密度的影响逐渐减弱。(3)裂隙分布状态对多裂隙类岩石材料破坏