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        溫度作用后大理巖三軸卸荷細(xì)觀破壞特征研究

        2014-11-26 06:32:10宋文SONGWen汪然WANGRan黃河HUANGHe
        價(jià)值工程 2014年4期
        關(guān)鍵詞:大理巖縱波卸荷

        宋文SONG Wen;汪然WANG Ran;黃河HUANG He

        (①安徽省公路工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,合肥 230001;②合肥市建筑質(zhì)量安全監(jiān)督站,合肥 230001;③安徽省綜合交通研究院股份有限公司,合肥 230001)

        (①Anhui Highway Engineering Construction Supervision INC.,Hefei 230001,China;②Hefei Construction Quality Supervision Station,Hefei 230001,China;③Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.,Ltd.,Hefei 230001,China)

        0 引言

        在水利工程中,涉及到的地下洞室主要有:地下廠房、導(dǎo)流洞、引水隧洞、尾水洞、交通洞等等。在巖體開挖時(shí),基坑、洞室等周圍巖體會(huì)在不同程度上出現(xiàn)卸荷或卸荷破壞現(xiàn)象,由此導(dǎo)致的破壞失穩(wěn)的現(xiàn)象十分普遍,它通常表現(xiàn)出滑坡、邊坡失穩(wěn)、礦坑變形等等,這些狀況往往給人員和設(shè)備的安全以及工程按時(shí)順利地進(jìn)行造成巨大的威脅。

        很多深部巖體所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,而且工程上往往作為深部核廢料貯存、收到地?zé)岬叵滤饔玫裙こ虪顟B(tài)。因此往往會(huì)同時(shí)受到卸荷以及較高溫度的作用。在應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí),工程巖體往往會(huì)具有不同的破壞特征,而每一種力學(xué)理論都有著其使用范圍。因此,研究在大理巖在卸荷條件下加溫后的圍觀破壞特征,有著非常重要的理論研究以及工程實(shí)踐意義。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 試件制備 試驗(yàn)樣品來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所采集的大理巖,鉆孔盡量選擇在相近地點(diǎn),以確保減少巖樣的個(gè)體差異。依據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)試件,尺寸為Φ50mm×100mm 的圓柱體。為保證選擇的巖樣性質(zhì)均一,使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性,筆者選擇外觀無(wú)明顯裂紋的巖樣。

        經(jīng)過(guò)國(guó)土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢驗(yàn)中心安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所進(jìn)行的礦物成分檢測(cè),試件切片如圖1 所示。碎屑主要成分為方解石(含量高于99%,),粒徑0.2-12mm 及0.5-1mm,呈半自形粒狀,以細(xì)晶為主,互為鑲嵌,緊密分布,菱形解理發(fā)育,雙晶紋平行菱形解理的長(zhǎng)對(duì)角線;其余成分主要為一些不透明礦物,粒狀,零星分布。

        壓縮試驗(yàn)均在大型巖石試驗(yàn)系統(tǒng)RMT-150C 上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)為中科院武漢巖土所自行研制,可以進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等,具有操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。該儀器可完全在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行試驗(yàn),只需要在試驗(yàn)之前輸入相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)等就可以試驗(yàn)?zāi)骋辉囼?yàn)路徑。試驗(yàn)過(guò)程將被計(jì)算機(jī)全稱記錄,在試驗(yàn)結(jié)束后,操作者就可以讀取相應(yīng)結(jié)果。

        加熱設(shè)備為武漢巖土所的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(加熱200℃試件)與巖土所樣品加工工廠的高溫加熱爐(加熱800℃試件)。干燥箱的編號(hào)為1651,大小為400×400×450mm,溫度調(diào)節(jié)范圍為50℃-200℃。

        圖1 卸荷路徑示意圖

        1.2 卸荷實(shí)驗(yàn)方案 在巖石的三軸試驗(yàn)中,可以通過(guò)兩種路徑實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力差卸載。卸載方式1:保持σ3恒定,通過(guò)降低σ1實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力差(σ1-σ3)卸載;卸載方式2:保持σ1恒定,通過(guò)增大σ3實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力差(σ1-σ3)的卸載[1,2]。

        本卸荷試驗(yàn)選用路徑1(如圖1 所示),施加靜水壓強(qiáng)的終點(diǎn)確定為略小于相同圍壓下三軸加載試驗(yàn)破壞點(diǎn)。

        1.3 試驗(yàn)步驟 可以確定試驗(yàn)步驟為:

        ①將需要加溫的試件放置在200℃條件下保持3 小時(shí),冷卻至室溫后預(yù)備開展卸荷試驗(yàn)。為分析溫度對(duì)大理巖的損傷,在試件初始態(tài)和每次溫度作用并冷卻至室溫后均進(jìn)行了波速測(cè)試。測(cè)得的數(shù)據(jù)列表保存;

        ②三軸試驗(yàn)開始前,測(cè)量好試件的縱波波速及尺寸。然后將試件套上一層薄的耐油橡膠皮套,裝入與試驗(yàn)機(jī)相配套的壓力室中(事先排光空氣),置于試驗(yàn)機(jī)的相應(yīng)位置,安裝好軸向位移傳感器;

        ③先將軸壓和圍壓同步加載,保證圍壓到預(yù)定點(diǎn)A(軸向力加載速率0.2kN/s,圍壓加載速率0.1MPa/s);

        ④保證圍壓不變,增大軸壓直至設(shè)定的終點(diǎn)B(力加載速率0.5kN/s);

        ⑤到達(dá)力終點(diǎn)之后,保持軸壓不變,以固定速率卸圍壓直至試件破壞(圍壓卸載速率0.05MPa/s,卸荷點(diǎn)均位于塑形階段開始時(shí))。

        2 縱波波速試驗(yàn)及結(jié)果

        目前,超聲波測(cè)試技術(shù)在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用??v波與橫波在巖石試件內(nèi)的傳播速度可以在一定程度上反映巖石的礦物成分、孔隙度等物理特性以及泊松比、楊氏模量等參數(shù);超聲波速度也是評(píng)價(jià)材料損傷的指標(biāo)之一。[3,4]

        為分析溫度對(duì)大理巖的損傷,在試件初始態(tài)和每次溫度作用并冷卻至室溫后均進(jìn)行了波速測(cè)試。測(cè)得的數(shù)據(jù)列表保存,代表性試件的結(jié)果如表1 所示。

        表1 不同溫度下波速試驗(yàn)的結(jié)果

        表2 不同溫度下大理巖試件破壞強(qiáng)度與圍壓

        很明顯可以看出,溫度作用后試件的縱波波速降低。這從一定程度上體現(xiàn)出,200℃溫度作用后,巖石的內(nèi)部缺陷發(fā)展,微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 卸荷強(qiáng)度變化規(guī)律 通過(guò)卸荷試驗(yàn),得到不同溫度下大理巖試件卸荷破壞的力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

        通過(guò)對(duì)比,可以看出相比常溫卸荷的試件,可以看出在200℃溫度作用下大理巖試件卸荷強(qiáng)度略有增大;隨著圍壓的提高,這一現(xiàn)象更加明顯。

        3.2 縱波波速與大理巖卸荷強(qiáng)度關(guān)系的討論 根據(jù)損傷力學(xué)[5,6]原理,采用縱波波速的相對(duì)變化來(lái)定義損傷因子,則大理巖試件的損傷因子可以定義為:

        式中:

        D 為損傷因子;

        Vt為試件經(jīng)過(guò)溫度作用后對(duì)應(yīng)的波速;

        V0為初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波速。

        則損傷因子對(duì)應(yīng)著就是表1 中的波速降低百分比。

        根據(jù)表1 和表2 可以看出,試件的卸荷強(qiáng)度與相應(yīng)的損傷因子有著一定相關(guān)性:損傷因子越大,卸荷強(qiáng)度越低,反之亦然。

        3.3 溫度對(duì)大理巖微觀卸荷破壞形式的影響 使用合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心的SEM 電鏡(型號(hào)JSM6490/LV掃描電鏡)觀察加溫前后的大理巖試件的微觀破壞模式的影響。

        可以看出,在經(jīng)歷溫度作用后,大理巖試件會(huì)出現(xiàn)由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的氣孔,如圖2。相對(duì)于常溫試件,加溫后的試件,氣孔變得更大,數(shù)量更多,從而更加容易被觀測(cè)到。

        圖2 氣孔微觀觀測(cè)圖

        同時(shí),也可以觀測(cè)到,在試件破壞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種形態(tài)的微裂紋以及斷口。可以總結(jié)出,大理巖的微裂紋主要分為縮聚微裂紋、張性微裂紋、壓性微裂紋和剪性微裂紋等,如圖3 所示。由大量的觀測(cè)結(jié)果可以得出結(jié)論,常溫作用后試件的剪性、張性微裂紋居多,相比常溫試件,200℃溫度作用后出現(xiàn)了一定數(shù)量的縮聚微裂紋及壓性微裂紋。這說(shuō)明溫度作用對(duì)大理巖微觀破壞模式有著顯著的影響,與波速試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。

        圖3 200℃溫度作用后大理巖微觀破裂形式圖

        4 結(jié)論

        ①用縱波波速比商法定義了溫度損傷,可以看出試件的卸荷強(qiáng)度與相應(yīng)的損傷因子有著一定相關(guān)性:損傷因子越大,卸荷強(qiáng)度越低,反之亦然。

        ②溫度作用后,巖石內(nèi)部微氣孔數(shù)量變多,大小變大,在電鏡下更容易被觀察到。

        ③常溫作用后試件的剪性、張性微裂紋居多,相比常溫試件,200℃溫度作用后出現(xiàn)了一定數(shù)量的縮聚微裂紋及壓性微裂紋。

        [1]尤明慶,蘇乘東,李小雙.損傷巖石試樣的力學(xué)特性與縱波速度關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(3):358-467.

        [2]夏才初,李宏哲,劉勝.含節(jié)理巖石試件的卸荷變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(4):697-704.

        [3]顧澤同,葛永樂(lè),翁中杰等.工程熱應(yīng)力[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社,1987:162-163.

        [4]張?jiān)?楚澤涵,陳颙.巖石熱開裂研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].特種油氣藏,1999,16(2):1-5.

        [5]Wang H F,Bonner B P,Charlson S R,et al.,Thermal stress cracking in granite[J].J Geophys Res,1989,94:1745-1758.

        [6]張安哥,朱成久,陳夢(mèng)成.疲勞、斷裂與損傷[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2005,11.

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