含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析
Fracture Test and Analysis of Rock-Mass Model with Prefabricated Defects
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收稿日期: 2019-07-09 修回日期: 2020-01-19 网络出版日期: 2020-05-07
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Received: 2019-07-09 Revised: 2020-01-19 Online: 2020-05-07
作者简介 About authors
张栩栩(1995-),男,四川巴中人,硕士研究生,从事岩石断裂力学方面的实验研究工作
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张栩栩, 杨仕教, 曾佳君, 罗可, 蒲成志.
ZHANG Xuxu, YANG Shijiao, ZENG Jiajun, LUO Ke, PU Chengzhi.
自然界岩石在形成过程中,其内部往往会生成大量的裂隙、孔洞和其他原始缺陷。前人研究得出内部缺陷对岩石的力学特性有显著影响[1],矿山、隧道和水电站等地下工程在开挖过程中产生的扰动对周围岩石的稳定性也有一定的影响,因此研究缺陷岩石破断行为对预测地下工程周围岩石结构破坏具有重要意义。
近年来,国内外学者对内部缺陷岩石展开了大量的理论与室内试验研究[2,3,4]。部分学者利用线弹性理论得到了纵横轴比k和倾角α变化对椭圆孔产生影响的规律[5,6,7];张科等[8]利用悬臂梁理论解释了圆孔张拉裂纹形成机理。在理论研究的基础上,学者们还通过室内试验进行了大量研究,根据缺陷形状将岩石内部缺陷划分为裂隙缺陷[9]和孔洞形缺陷[10]。对于裂隙缺陷[11,12,13,14,15],研究发现预留裂纹岩石的强度通常低于完整岩石,裂纹往往萌生于预留裂隙尖端,最终破坏模式可划分为裂隙尖端屈服、裂隙中部受拉和复合破坏;对于孔洞形缺陷,大多以圆孔[16,17,18]或椭圆孔[19,20]缺陷为例开展研究,发现裂纹萌生和发展于孔洞应力拉伸集中区,之后形成远场裂纹,最后在压应力集中区萌生剪切裂纹。随着荷载的增加,裂纹沿试件加载方向或端部边界薄弱部位扩展,最终破坏模式以剪切破坏为主。
基于前人研究成果可知,不同缺陷对岩石特性的影响具有一定的差异,学者们着重从不同缺陷形状(裂隙、椭圆孔和圆孔)入手研究了缺陷对岩石断裂特性的影响,但对于缺陷特性参数的变化(从裂隙发展到孔洞的变化过程中的参数变化)缺乏深入研究,并未完整探讨内部缺陷由裂隙发展到椭圆孔再到圆孔的渐变过程中岩石的破断规律。鉴于此,通过建立缺陷形状从裂隙至圆孔变化的单轴受压物理模型,利用向圆保角变换法求解缺陷周边应力函数,得到缺陷周向应力函数变化规律。在此基础上,通过制作内部缺陷由裂隙到圆孔变化的类岩体试样,分析破断过程中宏观力学特性、裂纹萌生和扩展演化,以及试样的最终破坏模式。
1 求解缺陷孔周边应力函数
图1
利用复变函数,得出保角映射:
式中:
环向拉应力点最大值处
式中:
故其椭圆孔开裂点(
式中:
特别地,取荷载与x轴垂直,即
由于本文中讨论的缺陷从裂隙到圆孔变化,其中
由此可计算出孔周边的环向应力
将
由
图2
图2
不同θ值时
Fig.2
Relation curve of
分析理论求解可知:当荷载与长轴方向垂直时,由
2 试样制作与试验
2.1 试样制作
采用水泥砂浆材料制作含缺陷的类岩体试样,内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化如图3(a)所示,长轴2a长度为40 mm,短轴2b设有5种长度,分别为1,10,20,30,40 mm,对应的m值分别为0.95、0.60、0.33、0.14和0,如图3(a)所示。预留缺陷材料采用3D打印技术制作,以保证制作的缺陷端点附近的光滑性和几何特征规整,减小预留缺陷在制作过程中产生的几何误差。试样成型后尺寸为长×宽×高=200 mm×150 mm×50 mm,如图3(b)所示。试样采用配比为白水泥∶河沙∶水=5∶5∶2(质量比),白水泥标号为325#,将河沙用孔径为1.25 mm的孔筛筛选后,洗净去泥晒干,以消除河沙中的泥土对试验的影响。
图3
2.2 试验仪器与加载条件
单轴压缩试验在RMT-150B岩石力学试验系统中进行,如图4所示。采用加载速率为0.5 kN/s的力控加载,试验过程中产生的数据由试验系统内部计算机自动采集,在加载过程中使用高清摄像机实时记录试样孔洞周边裂纹演变过程。在压头周围竖立自制钢架并在上方悬挂加载钢板,试验系统适用于本次试验工况下的试件加载。
图4
为获得本次试验中水泥砂浆的物理力学参数,在相同试验条件下,制备了用于相应物理力学参数测试试验的试样,并对测试试样进行单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验,测得类岩体基本物理力学参数见表1。
表1 类岩体物理力学参数
Table 1
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
密度 | 2 178 | 黏聚力 | 4.09 |
单轴抗压强度 | 22.25 | 泊松比 | 0.27 |
单轴抗拉强度 | 3.50 | 内摩擦角 | 36.24 |
弹性模量 | 6.44 |
3 试验结果及分析
3.1 轴向应力—应变曲线分析
在试验加载过程中,试样的轴向全应力—应变曲线如图5所示。观察各试样应力—应变曲线可知,各曲线在破坏前表现出典型的弹塑性体在单轴压缩下的曲线特性,存在明显的压密阶段、弹性阶段和屈服阶段;完整试样的压密阶段曲线比含缺陷试样的曲线短,完整试样的弹性阶段与屈服阶段曲线比含缺陷试样的曲线长;各曲线到达峰值强度后,快速跌落。通过比较含缺陷试样各应力—应变曲线可知,各曲线走势基本一致,但随着m值的增加,峰值轴向应力与峰值应变明显增加。
图5
3.2 峰值强度和弹性模量分析
图6
图6
含缺陷试样力学特征随m值变化的情况
Fig.6
Mechanical characteristics of specimens with defects changing with m value
3.3 裂纹扩展分析
图7
图7
不同m值的试样裂纹扩展过程
Fig.7
Crack propagation process of specimens under different m values
将上述试验研究结果与理论求解相结合分析可得:试验中含的单一缺陷试样的起裂点位置与理论解相吻合,在缺陷形状从裂隙到圆孔的变化过程中,理论计算得出缺陷周边的起裂点位置位于孔洞长、短轴端点附近处;通过对试验记录的图像进行对比观察发现,当m<0.60时缺陷试样在裂纹扩展前期,初始裂纹萌生在缺陷短轴端点处,但当m>0.60时,初始裂纹萌生在缺陷短轴端点处并向长轴端点附近偏移,主要原因是当m>0.60时孔周边长轴应力增加;在荷载的持续作用下,缺陷试样长轴端点附近受到剪切应力作用萌生剪切裂纹,随着荷载的增加,在压应力的作用下缺陷试样的长轴端点附近出现表面剥落现象,主要是由于椭圆孔洞曲率半径最小处压应力集中而导致 [19]。
3.4 破坏模式分析
图8
图8
含缺陷试样的破坏面形态
Fig.8
Failure surface morphology of rock-mass specimens with defects
图9
4 结论
通过建立物理力学模型,结合试验结果对理论计算进行综合分析和验证,得到以下结论:
(1)含缺陷类岩体试样在轴向荷载作用下,当m=0时单轴抗压强度最低,缺陷试样的单轴抗压强度随着m值的增大而逐渐增加,且随着m值的增大缺陷试件峰值强度受m值变化的影响逐渐降低。
(2)含缺陷类岩体在轴向荷载作用的过程中,首先在缺陷短轴端点处萌生初始张拉裂纹,随着m值的增加,起裂位置逐渐向长轴两端移动,裂纹沿主应力方向发育;在持续荷载作用下,缺陷长轴附近或远端萌生剪切裂纹,剪切裂纹扩展;随着荷载的持续增加,裂纹进一步扩展,在裂纹扩展的后期,当m值较大时在长轴端点处发生剥落现象。
(3)含缺陷类岩体在轴向荷载作用破坏后,出现了剪切破坏和拉—剪混合破坏2种破坏模式,当m>0.60时,破坏模式为剪切破坏;当m<0.33时,破坏模式为拉—剪混合破坏。
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