闭合断线节理岩体的破坏试验及破坏机理研究

闭合断线节理岩体的破坏试验及破坏机理研究

1基于模型试验的岩体力学特性研究由于大型岩体工程通常选择岩石性质较好的岩石基或围岩，因此在工程岩体的力学特性方面起着主要作用的节理通常是连续的。断裂带的扩展、分离和互联是断裂带的常见过程，研究岩石节理面的形成机制和岩体稳定性是岩石节理面形成机制和岩体稳定性的基础。我们可以提高对岩体变形和力特性的认识，阐明岩体强度的本质，改进现有岩体强度预测理论和方法的不足，提高岩体工程的合理性和可靠性。目前,研究断续节理岩体力学特性的方法主要为试验研究、数值分析和理论分析.本文主要采用模型试验对含不同尺寸、不同排列分布型式节理的岩体进行平面应力加载条件下的破坏试验,应用自行研制的高压柔性加载装置施加边界荷载,用千分表和激光散斑照相技术量测试体位移场,用应变花量测试体平面应力场.通过对试体加载过程中应力场和位移场的测定,寻求闭合断续节理岩体变形和破坏过程发展规律,探索节理扩展演化规律及贯通破坏机理同时也为数值分析和数值模型验证提供依据2模型试验设计2.1相似材料的筛选本研究为基础研究课题,不针对具体工程对象.相似材料选取原则主要有:(1)尽可能地相似于天然脆性岩石,且使其模数比和压拉比尽可能大,其节理面的力学特性尽可能地相似于天然脆性岩体中的节理面.(2)考虑RMT-64刚性压力机的油缸出力系数较大,选用强度较高的模型材料.(3)尽可能地均质,细颗粒及低空隙度.基此,相似材料选用沙∶石膏∶水=3∶3∶2(重量比)的混合料,其中沙为粒径<0.3mm的特细沙.其物理力学参数详见文献.2.2最大油压的测定试验加载钢框架内空高:80cm、宽80cm、厚20cm.加压装置采用自行研制的高压柔性油压橡皮囊.施加垂向荷载的橡皮囊出力腔长30cm、宽7cm,能承受的最大油压达20MPa;施加侧向荷载的橡皮囊出力腔长40cm、宽7cm,最大耐压14MPa,其标定曲线线性规律好.传力柱为厚2cm、高6cm、一侧宽7cm、另一侧宽10cm的工字形小钢块,垂向和侧向各并排布置15和20个传力柱,传力柱间需减摩.传力柱与橡皮囊、试体接触的表面均被刨光,试体四周覆二层聚四氟乙烯薄膜,以减少切向摩阻力.各传力柱间的最大位移差可达15mm.2.3试件的制作、成型和干燥根据节理分布型式、侧向水平压力、量测方法等因素的不同组合,共计进行了六种工况试验(表1).制作试体的模具内空长40cm,宽30cm,高10cm.制作试件时,先将拌合均匀的混合料倒入模子中捣实成形,然后将预先确定的一定宽度的薄钢片沿铅直方向插入预定位置,待混合料初凝时抽出,利用石膏混合料在气凝过程中发热膨胀的特点使裂隙面完全闭合.再过30分钟后便拆模.待试件完全干燥后即可用于试验.2.4试验结果的测量应用激光散斑照相技术量测岩土工程中的位移在国内外己较广泛,但将其应用于断续节理岩体在单或双轴压力加载条件下的破坏试验的全场位移量测尚属首次因是初次尝试特将其与传统千分表测读平行使用,以便相互检验,更加明确各种量测方法的优缺点并完善之,使试验结果更可靠.另外,还采用应变花这种电测传感元件通过测定某点三个方向上的应变值来间接求出某点主应力值(图1).2.4.1双块式钢架内裂纹位移检测千分表主要布置在试体表面沿节理两侧及预计将有裂纹通过的两侧,以测定节理和翼裂纹的错动位移和张开位移,并与相应激光散斑测点的水平和垂直位移进行比较.同时还在加载框架内表面上、下各布置一个千分表,以测定因框架刚度不足而引起的刚体位移.千分表共布置8～12个,安装在独立于加荷系统和反力系统以外的钢架上.2.4.2应变花的选用在节理两侧、节理尖端及预估贯通破坏路径通过的岩桥等位置,布置16～20片应变花.所选用的应变花型号为BQ120—3CA,阻值120±0.2%,灵敏系数1.9±0.62%.棚长×棚宽:3×2的纸基浸胶箔式应变计.应变观测采用国产YJ-X4型静态电阻应变仪和PX—20A预调平衡箱.2.4.3试验方法和过程控制用千分表等有接触式量测位移的方法测点有限,难以测到全场位移.激光散斑照相技术是一种非接触式量测,无损模型,可测全场位移,灵敏度和精度高.测点共约布置130个,在节理两侧稍作加密,其余大致均匀分布.提取位移信息的方法有全场分析法和逐点分析法.因全场分析法精度较低,本试验采用精度较高的逐点分析法提取位移信息(图3).物体上某点的位移di为:di=,式中:λ为光波波长,L为底片至衍射屏的距离,M为拍摄散斑图时成像放大倍数,Bi为条纹间距.与干涉条纹垂直的方向即为位移矢量的方向.散斑图中所提取的位移中还含有刚体位移,须加以扣除.(2)试验过程控制:由于散斑测量中每步拍摄记录的位移量测范围有限,为3μm～350μm,因此每级荷载的加荷步长过大或过小都将有可能使干涉条纹太密或太疏而读取不出位移值从而导致位移量测误差增大甚至失败所以必须对试验过程中的加荷步长拍照频率、曝光时间等试验参数进行控制,确保试验数据准确可靠不丢失.为此,可据前四个试体的千分表测值大致确定每级加荷步长,同时在试验过程中,及时冲洗出双曝光散斑底片,视其条纹疏密实时作出反馈控制.另外,还要使同一级荷载下前后二次曝光间的时间间隔尽可能短,以防在该时间段内因试体的蠕变而丢失部分位移值.2.5加荷曝光时间的确定首先安装好试体、侧向及垂向橡皮囊,接着安装千分表,把应变花接线头按序接至应变箱上,对各应变片校正、调零,同时打开激光器,调节好光路、光场、照相机焦距和光圈,确定合适的曝光时间.加载前,记录下千分表、应变花的初读数.接着施加水平向荷载至预定应力,记录千分表、应变花读数,同时进行第一次曝光.然后施加各级垂向荷载,对每级加荷前后各曝光一次.得到各级加荷下的双曝光散斑图,同时记录各级荷载下的千分表、应变花读数.3试验结果及分析3.1激光散斑法与激光散斑法的比较对工况5、6中激光散斑法和千分表所测得的各对应测点的位移值进行比较分析(表2)可见,对垂向分量,千分表比激光散斑法测值大12%-17%;在节理起裂扩展后,随荷载增加,二者差异有微弱增加.对水平分量,千分表比激光散斑法测值大15%-27%,明显比垂向大;在节理起裂扩展后,随荷载增加,二者差异有较明显增加,工况5由17%增至27%,工况6由18%增至24.5%.节理初裂前,水平和垂向分量的二者差异几乎相同.这是由于激光散斑法在换干板的时间段内因试样蠕变而丢失部分位移所致.尽管激光散斑法与千分表测值存在一定差异,但其误差仍在允许范围内,且不影响试体变形的总体特征因此其所测得的全场位移是可信的3.2节理端面的拉应力分布据应变花所测结果(图4)可见,在节理尖端产生翼裂纹的—侧岩桥中产生拉应力集中,与该拉应力集中区,e1为压应力.与垂向成小角度相交,e2为拉应力,与水平向成小角度相交,处于拉压应力状态.而在节理尖端的另一侧出现压应力集中,在该压应力集中区,e1、e2都为压应力,处于双向压力状态.初裂前节理尖端拉应力集中显著,但拉应力区分布范围小,变化梯度大.而压应力集中区分布范围较大,变化梯度相对较小.节理尖端的初裂主要受拉应力控制.节理尖端的拉应力集中随翼裂纹的产生和扩展而逐渐释放,撕拉裂面应力则自动分配到相邻单元.主拉应力量值减小,拉应力区域扩大,变化梯度减小.压应力集中随张拉裂纹扩展而不断加剧,压应力集中区仍在节理尖端附近.变化范围不大.拉应力集中区仍为拉压应力状态,压应力集中区仍为双向受压状态.和初裂前相比,主应力的绝对值均有不同程度的减小.3.3节理面法向相对位移的位移场表现为从激光散斑法所测得的位移场(图5)看出,在同一级荷载下,试体从上向下垂向位移明显减小,左右两侧的垂向位移基本相等,此乃试体上边界为主动加载边界、下边界为固定约束所致.水平位移在试体中间较小、两侧较大,且都指向两侧边界.在轴压较小时,整个试体的位移场均匀连续.随着轴压的增大,边节理两侧的位移首先出现不连续,两侧对应点的位移矢量方向和大小出现较大差异,此时可见节理出露缝表面上的脆皮因错动而皱起,很快整个节理都发生相对错动.节理尖端出现翼裂纹,翼裂纹两侧的位移出现不连续,两侧对应点的位移矢量大小和方向出现较大差异.当轴压进一步增加时,翼裂纹贯通,形成一个宏观破坏面,此时破坏面两侧的位移出现明显的不连续,以破坏面为分界线,左右两半试体分别向左右移动.位移场不仅反映了试体的变形特征,而且反映了节理错动、节理尖端起裂、扩展、最后贯通破坏的破裂发展全过程.据试体垂向位移与荷载的关系曲线(图6),以工况6为例,在轴压为0.525MPa之前,曲线斜率较小,随后斜率增大,试体处于弹性阶段.当轴压增至2.17MPa时,曲线斜率明显减小.此时可观察到节理的错动,当轴压达2.73MPa时,曲线斜率很小,位移出现一个明显的阶跃.此时可观察到节理尖端发生初裂,出现翼裂纹.轴压继续增至3.01MPa后,曲线斜率又有明显增大.此段对应翼裂纹稳定扩展阶段.当轴压达4.06MPa后,曲线斜率又明显降低,位移发生突变.在轴压保持不变情况下,位移持续增加,此时翼裂纹贯通,试体发生宏观破坏.据节理面相对错动位移、翼裂纹张开位移与荷载的关系曲线(图7),在工况5中,在轴压大于1.12MPa后,上部边节理开始有错动位移.紧接着是该边节理尖端出现张开位移,表明翼裂纹已形成,但此时肉眼未见翼裂纹.当轴压大于1.96MPa后,相继出现中间节理的错动和其尖端的起裂张开,及离节理尖端较远的岩桥中部由于翼裂纹扩展而产生张开位移.当轴压达2.45MPa后,节理错动位移和翼裂纹的张开位移都急剧增大,表明试体己贯通破坏.在工况6中,轴压至2.17MPa时,节理面开始错动.轴压达2.73MPa后,节理面错动位移出现一个明显的阶跃,节理尖端也出现明显的张开位移,表明节理尖端初裂的发生和翼裂纹的出现.当轴压至3.01MPa后,各曲线斜率稳定,表明此时节理面错动位移、翼裂纹张开位移稳定发展,为翼裂纹稳定扩展阶段.当轴压至4.06MPa后,各曲线斜率显著变小,位移急剧增加,表明翼裂纹贯通,试体失稳破坏.从节理面法向相对位移翼裂纹两侧相对错动位移与荷载的关系曲线图可见节理面法向相对位移在试件贯通破坏前只有微量闭合.待试体贯通破坏后,由于节理面的大幅度错动而使节理面出现显著法向闭合位移.在试体贯通破坏前,翼裂纹几乎不发生相对错动位移,只有在试体发生贯通破坏后,翼裂纹两侧才因宏观剪切破坏面的滑动而出现显著的错动位移.4试验破坏过程(1)所研制的高压柔性油压橡皮囊出力均匀且较大,可达20MPa,与试体加载表面呈柔性接触,各传力柱间的最大位移差可达15mm,标定曲线线性规律好.(2)激光散斑法应用于断续节理岩体的破坏试验中,所测位移场规律性好,比对应点的千分表测值偏小14%左右.但此误差可通过应用数字图像处理技术达到自动采集和处理图像来基本消除.(3)闭合断续节理岩体的变形和破坏过程具有明显的阶段性.随荷载的增加,试体经历线弹性阶段、节理面错动、节理尖端的起裂并扩展、直至贯穿岩桥最终失稳破坏的全过程.岩桥的破坏由拉破裂所控制.(4)翼裂纹的初裂角约75°,尔后随荷载增加,扩展路径较快转向最大主应力方向.(1)基本原理:在漫反射物体受到相干光源照射时,在物体表面前的空间将形成无数随机分布的明暗相间的斑点(即散斑),经过成像系统在底片上获得散斑图,此即激光散斑照相(图2).当物体表面运动时,散斑场按一定规律作相应运动.对物体变形前后分别进行二次曝光,在同一张全息干板上记录了双曝光散斑图,图中含有物体表面的面内位移信息.从试验后破坏试体中测得,翼裂纹的初裂角为68°～81°,平均约75°,这与按纯Ⅱ型剪切断裂算得的初裂角十分接近.同时可见,随轴压增大,翼裂纹的扩展路径由初裂方向较快转向最大主压应力方