張景昱 陳洪凱
摘 要:危巖主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域的應(yīng)力變化是導(dǎo)致危巖破壞的主要因素。針對壓剪破壞型危巖,進(jìn)行室內(nèi)模型試驗。主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域的平面應(yīng)力狀態(tài)可以用兩個主應(yīng)變ε1和ε2來表示,在模型主控結(jié)構(gòu)面端部布置了5個測點(diǎn),試驗量測到5個測點(diǎn)在施加荷載過程中兩個主應(yīng)力的變化曲線;對試驗結(jié)果分析表明,危巖主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域的1#、4#和5#測點(diǎn)的主應(yīng)變在所施加荷載逐漸增加的情況下,變化較大;2#和3#測點(diǎn)的主應(yīng)變的變化較小。說明1#、4#和5#測點(diǎn)的主應(yīng)力變化最為敏感,敏感程度1#>4#>5#>3#>2#;3#測點(diǎn)在整個過程中兩個主應(yīng)力方向上均處于受壓狀態(tài)。
關(guān)鍵詞:危巖 主控結(jié)構(gòu)面 主應(yīng)變 模型試驗
中圖分類號:P642.2 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A 文章編號:1674-098X(2015)02(c)-0026-02
危巖崩塌是我國山區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一,其破壞具有突發(fā)性、強(qiáng)致災(zāi)行和泛生性,嚴(yán)重威脅山地公路、鐵道干線和城鎮(zhèn)居民安全等。危巖崩塌破壞的根本原因是其主控結(jié)構(gòu)面裂紋端部的擴(kuò)展,而其擴(kuò)展是由于主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的變化,探索危巖主控結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力應(yīng)變的變化是揭示危巖破壞機(jī)理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
迄今,在危巖破壞機(jī)理方面公開報道的研究成果較少,陳洪凱、鮮學(xué)福和唐紅梅探討了崩塌災(zāi)害形成機(jī)制[1],基于損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)探討了危巖主控結(jié)構(gòu)面端部損傷特性[2]和在裂隙水壓力作用下的疲勞斷裂特性[3],提出了危巖斷裂穩(wěn)定性分析方法[4],分析了危巖塊崩落瞬間可能出現(xiàn)的激振效應(yīng)[5]及危巖塊彈沖動力參數(shù)[6],初步揭示了陡崖上群發(fā)性危巖塊的崩落序列[7]。上述研究基本未對危巖主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析,因此,該文通過模型試驗,以壓剪破壞型危巖為例,探索危巖主控結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力應(yīng)變在擴(kuò)展前的變化,進(jìn)一步揭示危巖破壞機(jī)理。
1 危巖主控結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力場試驗
1.1 試驗?zāi)P?/p>
針對壓剪破壞型危巖,建造試驗?zāi)P腿鐖D1所示,試件含預(yù)制斜裂紋60 mm,且斜裂紋傾斜角為75°,布置了五個應(yīng)變測點(diǎn)(圖2),其中1#測點(diǎn)位于危巖主控結(jié)構(gòu)面端部,2#測點(diǎn)位于1#測點(diǎn)正下方5 cm處,3#測點(diǎn)位于1#測點(diǎn)水平右方5 cm處,5#測點(diǎn)位于3#測點(diǎn)正下方5 cm處,4#測點(diǎn)為以上四個測點(diǎn)組成正方形的形心。
模擬危巖的試件用M25水泥砂漿制成,配合比為水泥:砂:水=1∶3.15∶0.63,其抗壓強(qiáng)度為16.83 MPa,抗拉強(qiáng)度為0.89 MPa,重度為20.13 kN/m3,彈性模量3.37 GPa,泊松比0.19。
2.2 試驗荷載
模型中,施加的荷載位于主控結(jié)構(gòu)面右段(圖3),每級荷載為2 MPa,至試件裂紋擴(kuò)展為止,且每級荷載暫停1 min。該模型試驗重點(diǎn)關(guān)注主控結(jié)構(gòu)面端部擴(kuò)展前1#、2#、3#、4#和5#各測點(diǎn)所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 測點(diǎn)應(yīng)變變化趨勢圖
各測點(diǎn)平面主應(yīng)變分別為ε1和ε2,試件主控面開始擴(kuò)展前所得數(shù)據(jù)處理后如4(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。
從圖4可以看出,
(1)在主控面擴(kuò)展前,施加的荷載依次為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa,在8 MPa以后主控面開始擴(kuò)展。
(2)施加荷載達(dá)到2 MPa時,1#和4#測點(diǎn)的壓應(yīng)變ε2較大于其他3個測點(diǎn),分別為-209.8με和-166.2 με;1#和5#測點(diǎn)的拉應(yīng)變ε1較大于其它三各測點(diǎn),分別為65.5 με和48.7 με。
當(dāng)荷載達(dá)到4 MPa時,1#、4#和5#測點(diǎn)壓應(yīng)變ε2較大,分別為-588με、-412.9 με和-384.8 με;1#和5#測點(diǎn)的拉應(yīng)變ε1較大,分別為175.2 με和138.3 με。
當(dāng)荷載達(dá)到6 MPa時,1#、4#和5#測點(diǎn)壓應(yīng)變ε2較大,分別為-1093.5με、-1025.3 με和-689.1 με;1#和5#測點(diǎn)的拉應(yīng)變ε1較大,分別為297.2με和233.7με。
當(dāng)荷載達(dá)到8 MPa時,1#、4#和5#測點(diǎn)壓應(yīng)變ε2較大,分別為-1836.5με、-1733.9με和-1092.6με;1#和5#測點(diǎn)的拉應(yīng)變ε1較大,分別為457.4με和367.2με。
各級荷載下測點(diǎn)主應(yīng)變情況列表如表1所示。
(3)1#、4#和5#測點(diǎn)的主應(yīng)變在所施加荷載逐漸增加的情況下,變化較大;2#和3#測點(diǎn)的主應(yīng)變的變化較小。說明在該模型試驗中,1#、4#和5#測點(diǎn)在主控面擴(kuò)展前主應(yīng)力變化最為敏感,且變化程度為1#>4#>5#>3#>2#。
(4)1#、2#、4#和5#測點(diǎn)的兩個主應(yīng)變ε1和ε2均為一正一負(fù),即一個受拉一個受壓;而3#測點(diǎn)則全為負(fù)值,說明該測點(diǎn)的兩個主應(yīng)力方向上全為受壓狀態(tài)。
3 結(jié)論
危巖主控結(jié)構(gòu)面端部附近區(qū)域的平面應(yīng)力變化情況可用兩個主應(yīng)變ε1和ε2來表示,負(fù)值表示受壓,正值表示受拉。基于壓剪破壞型危巖室內(nèi)模型試驗,該文主控面端部區(qū)域各測點(diǎn)的主應(yīng)變變化情況進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論。
(1)通過壓剪破型危巖室內(nèi)模型試驗,利用應(yīng)變片采集了主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域的應(yīng)力變化狀態(tài),獲得各測點(diǎn)主應(yīng)力變化趨勢圖。
(2)危巖主控結(jié)構(gòu)面端部區(qū)域的1#、4#和5#測點(diǎn)的主應(yīng)變在所施加荷載逐漸增加的情況下,變化較大;2#和3#測點(diǎn)的主應(yīng)變的變化較小。且1#、4#和5#測點(diǎn)的主應(yīng)力變化最大,變化程度1#>4#> 5#>3#>2#。
(3)1#、2#、4#和5#測點(diǎn)的兩個主應(yīng)力ε1和ε2均為一正一負(fù),即一個受拉一個受壓;而3#測點(diǎn)則全為負(fù)值,說明該測點(diǎn)的兩個主應(yīng)力方向上在整個施加何在過程中全為受壓狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳洪凱,鮮學(xué)福,唐紅梅.石質(zhì)山區(qū)崩塌災(zāi)害形成機(jī)理[J].四川大學(xué)學(xué)報:工科版,2010,42(3):1-6.
[2] CHEN Hong-kai,TANG Hong-mei,YE Si-qiao.Damage model of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mechanics,2006,27(7):967-974.
[3] CHEN Hong-kai,TANG Hong-mei.Method to calculate fatigue fracture life of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mecha-nics, 2007,28(5):643-649.
[4] 陳洪凱,鮮學(xué)福,唐紅梅.危巖穩(wěn)定性斷裂力學(xué)計算方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2009,32(4):434-437.
[5] 唐紅梅,王智,鮮學(xué)福,等.墜落式危巖劇動式崩落與激震效應(yīng)[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2011,34(10):39-45.
[6] 陳洪凱,張瑞剛,唐紅梅,等.壓剪型危巖破壞彈沖動力參數(shù)研究[J].振動與沖擊,2012,31(24):33-36.
[7] 唐紅梅,王林峰,陳洪凱,等.軟弱基座陡崖危巖崩落序列[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(2):205-210.