嚴 園,鄒蘭林,周興林,謝旭飛
(武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,湖北 武漢,430081)
巖石節(jié)理的力學(xué)特性是巖體工程安全性的控制因素之一。橋梁、隧道等交通構(gòu)造物的基礎(chǔ)除了承受其自身重量外,主要還承受長期的隨機車輛荷載作用,基礎(chǔ)巖石節(jié)理的動態(tài)力學(xué)特性是確保其結(jié)構(gòu)安全的重要前提。
目前關(guān)于巖石節(jié)理力學(xué)特性的研究主要是采用有規(guī)律的周期循環(huán)荷載進行加載試驗來獲得一些定量結(jié)果。朱小明、劉博等[1-3]采用人工節(jié)理試件研究循環(huán)剪切荷載下巖石節(jié)理強度的劣化規(guī)律,分析了不同因素對節(jié)理剪切強度的影響,研究表明巖石節(jié)理遭受周期性的磨損和鈍化,其抗剪力學(xué)參數(shù)逐漸劣化,表面粗糙度明顯降低,從而加劇了巖體沿節(jié)理(結(jié)構(gòu))面的錯動和滑移。李海波等[4]分析了不同剪切速率下巖石節(jié)理的強度特性,結(jié)果表明隨著剪切變形速率的增加,試件的峰值剪切強度明顯降低。李夕兵等[5]研究了不同頻率載荷作用下巖石節(jié)理本構(gòu)關(guān)系,模擬出不同條件下的節(jié)理本構(gòu)關(guān)系式;左宇軍等[6]研究了受靜載荷的巖石在周期荷載作用下的破壞模式。
上述研究所采用的周期荷載無法真實反映實際工程中巖石節(jié)理的動態(tài)力學(xué)特征。因此,為了比較準確地模擬車輛荷載對巖石節(jié)理剪切強度的影響,本文采用實際車輛荷載譜進行加載,分析巖石節(jié)理剪切強度的影響因素及變化規(guī)律,以期為巖體結(jié)構(gòu)安全性評估提供參考。
日常使用過程中,橋梁上通行的車流是一個隨機過程,車型、車重、車間距均隨時間而變化。設(shè)計公路橋涵時,采用的汽車荷載分為車道荷載和車輛荷載,分別用于計算不同的橋梁構(gòu)件。這兩種荷載都是在靜載基礎(chǔ)上考慮沖擊影響,并沒有完全體現(xiàn)動態(tài)隨機荷載的特性。以此為基礎(chǔ)的力學(xué)理論分析,無論對于橋梁結(jié)構(gòu)本身還是結(jié)構(gòu)地基,都會導(dǎo)致分析結(jié)果偏離實際。要真實反映結(jié)構(gòu)在動態(tài)隨機車輛荷載作用下的力學(xué)特性,必須考慮車輛荷載參數(shù)的隨機性,充分調(diào)查交通荷載狀況,統(tǒng)計分析交通流各個參數(shù),綜合模擬接近實際運營狀態(tài)的交通流。
本文基礎(chǔ)巖石節(jié)理特性研究重點考慮壓力作用,在實際數(shù)據(jù)采集時,主要是獲取隨機車流作用下的橋梁基礎(chǔ)反力響應(yīng)。以某一跨徑為16m的橋梁結(jié)構(gòu)為研究背景,該橋總寬為8.5m,上部結(jié)構(gòu)采用單板寬1m的空心板,橫向共8塊板。在第5塊板下面的支點處布置壓力傳感器,如圖1所示,安裝傳感器時賦予其一個足夠小的初始壓力。連續(xù)采集24h內(nèi)該橋在汽車荷載作用下的支點反力響應(yīng)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過集線器和路由器傳輸給PC端,直接輸出反力-時間曲線。
圖1 傳感器的布置Fig.1 Arrangement of the sensor
圖2為某車流高峰時段測得的反力-時間曲線,將該數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)樣本來模擬該橋?qū)嶋H荷載譜??紤]其他車道荷載對該空心板的影響,分別計算各車道對5號板的橫向分布系數(shù),將所采集的反力值乘以相應(yīng)的系數(shù)然后疊加形成單車道反力-時間曲線。
圖2 反力-時間曲線Fig.2 Counterforce-time curve
上述數(shù)據(jù)僅為可變作用效應(yīng),實際支點反力由永久作用效應(yīng)和可變作用效應(yīng)組成,其最小應(yīng)力由永久作用效應(yīng)產(chǎn)生,即
式中:Fmin為支座最小壓應(yīng)力;Qg為永久作用下產(chǎn)生的支座反力;A為支座面積。其最大應(yīng)力由可變作用效應(yīng)與永久作用效應(yīng)共同產(chǎn)生,即
式中:Fmax為支座最大壓應(yīng)力;Qq為可變作用下產(chǎn)生的支座反力。
根據(jù)實際采集的反力-時間歷程,考慮多車道影響,并加入永久作用效應(yīng),計算出不同時段橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件的最大反力和最小反力,分別作為施加給試件的最大作用力和最小作用力,從而獲得用于試驗的隨機車輛荷載譜,如圖3所示。
圖3 隨機車輛荷載譜Fig.3 Random vehicle load spectrum
一般情況下,巖石節(jié)理峰值剪切強度可表示為[4]:
式中:τp為巖石節(jié)理峰值剪切強度;σn為法向應(yīng)力;α為節(jié)理起伏角;φ0為節(jié)理表面基本摩擦角。由式(3)可知,巖石節(jié)理峰值剪切強度與法向應(yīng)力、節(jié)理表面基本摩擦角和節(jié)理起伏角有關(guān)。同時,巖石節(jié)理剪切強度與巖壁強度σ也密切相關(guān)[2]。為了考察這些指標對隨機動態(tài)荷載作用下巖石節(jié)理剪切強度的影響,本試驗對具有不同起伏角和巖壁強度的人工節(jié)理試件,分別在不同的法向應(yīng)力條件下施加模擬的隨機車輛荷載序列,同時檢測巖石節(jié)理的剪切強度。
天然巖石節(jié)理的表面形貌復(fù)雜,不具備一致性。本試驗以水泥砂漿為原料,人工制作節(jié)理試件,保證了同一類型試件的高度一致性。
通過調(diào)整水泥砂漿的配比來控制節(jié)理試件的巖壁強度。預(yù)先用木模制作出具有各種角度和長度的底模放入圓形鋼模里面,形成節(jié)理表面不同的起伏角形狀,然后采用模具澆筑統(tǒng)一試件塊,如圖4所示。制備了10°、20°、30°三種起伏角以及10、20、30MPa三種巖壁強度的共9組節(jié)理試件。每組試件制作3個,通過抗壓強度試驗確定試件實際的巖壁強度,取3個試件的平均值。
圖4 試驗?zāi)P虵ig.4 Testing model
剪切試驗在電液伺服材料試驗機(MTS-810)上進行,主要步驟包括法向加載、切向加載、物理量測量以及數(shù)據(jù)采集和處理。
9組節(jié)理試件分別在不同法向應(yīng)力狀態(tài)下進行剪切試驗。每組節(jié)理試件的剪切強度分別為對應(yīng)3個試件的平均值。
試驗加載時根據(jù)模擬的隨機車流荷載譜,按1min為1個周期進行加載,連續(xù)加載5個周期。
將節(jié)理試件在1個加載周期內(nèi)的最大剪切應(yīng)力定義為節(jié)理峰值剪切強度。在不同法向應(yīng)力作用下,9組試件在第1個周期內(nèi)的峰值剪切強度如表1所示。由表1可見,節(jié)理峰值剪切強度與節(jié)理起伏角、法向應(yīng)力以及巖壁強度均呈正相關(guān)關(guān)系。
表1 節(jié)理試件的峰值剪切強度測試結(jié)果Table1 Test results of the peak shear strength of joint specimens
為了分析節(jié)理剪切強度的變化趨勢及其影響因素,分別選取5個加載周期內(nèi)同一時間點的節(jié)理剪切強度進行對比分析,將后面4個周期同一時間點的剪切強度與第1個周期對應(yīng)點剪切強度的比值定義為剪切強度比,即
式中:τn為第n個周期內(nèi)某時間點的巖石節(jié)理剪切強度;τ1為第1個周期內(nèi)同一時間點的巖石節(jié)理剪切強度。剪切強度比體現(xiàn)了節(jié)理剪切強度的劣化情況。Rτ越接近1,表明循環(huán)加載造成的節(jié)理剪切強度劣化程度越輕;Rτ越小,表明節(jié)理剪切強度衰變越厲害。
圖5~圖7分別為不同起伏角、法向應(yīng)力和巖壁強度條件下的節(jié)理剪切強度比。從這3幅圖中均可以看出,節(jié)理剪切強度隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而逐漸降低,其變化趨勢呈先快后慢的特征,并逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是由于加載初期節(jié)理表面薄弱部位遭到持續(xù)破壞,隨著加載的進行,薄弱部位被完全破壞后,節(jié)理根部抵抗破壞的能力較強,導(dǎo)致節(jié)理剪切強度下降速率變慢。
圖5 不同起伏角下的節(jié)理剪切強度比(σn=1MPa,σ=10MPa)Fig.5 Shear strength ratio of joints with different undulating angles(σn=1MPa,σ=10MPa)
圖6 不同法向應(yīng)力下的節(jié)理剪切強度比(α=10°,σ=10 MPa)Fig.6 Shear strength ratio of joints under different normal stresses(α=10°,σ=10MPa)
圖7 不同巖壁強度下的節(jié)理剪切強度比(α=10°,σn=1 MPa)Fig.7 Shear strength ratio of joints with different joint wall strengths(α=10°,σn=1MPa)
由圖5可見,節(jié)理起伏角越大,節(jié)理剪切強度衰減越快。這是因為,起伏角越大,節(jié)理凸起的頂部越薄弱,其抗剪能力越低,在加載初期即被快速破壞,導(dǎo)致節(jié)理剪切強度衰減很快,但是隨著薄弱尖端的破壞,節(jié)理剪切強度的劣化趨勢很快趨于穩(wěn)定。
由圖6可見,法向應(yīng)力越大,節(jié)理剪切強度劣化越嚴重。這主要是因為較大的法向應(yīng)力限制了剪切過程中的剪脹位移,節(jié)理表面凸起體更容易發(fā)生體積較大的剪斷破壞,導(dǎo)致其剪切強度快速降低;而法向應(yīng)力較小時,節(jié)理位移受到較小限制,節(jié)理起伏角尖端破壞以連續(xù)磨損或多次剪斷破壞為主。
由圖7可見,巖壁強度越低,節(jié)理剪切強度衰減越快。這是因為,巖壁強度較高時,節(jié)理表面抗剪切能力較強,發(fā)生快速的節(jié)理表面剪切破壞相對較難;而對于低巖壁強度的節(jié)理試件,表面凸起體的抗剪切能力不強,易發(fā)生體積較大的剪斷破壞,因此節(jié)理剪切強度衰減較快。
(1)在隨機車輛荷載序列的作用下,巖石節(jié)理的峰值剪切強度與節(jié)理起伏角、法向應(yīng)力以及巖壁強度均呈正相關(guān)關(guān)系。
(2)巖石節(jié)理剪切強度隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而降低,且呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢,并逐漸趨于穩(wěn)定。
(3)巖石節(jié)理剪切強度的劣化速率隨節(jié)理起伏角的增大、法向應(yīng)力的增加和巖壁強度的降低而加快。
[1]朱小明,李海波,劉博.循環(huán)剪切荷載作用下含二階起伏體模擬巖石節(jié)理力學(xué)特性研究[J].巖土力學(xué),2014,35(2):371-379.
[2]劉博,李海波,劉亞群.循環(huán)剪切荷載作用下巖石節(jié)理變形特性試驗研究[J].巖土力學(xué),2013,34(9):2475-2481.
[3]劉博,李海波,朱小明.循環(huán)剪切荷載作用下巖石節(jié)理強度劣化規(guī)律試驗?zāi)M研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(10):2033-2039.
[4]李海波,馮海鵬,劉博.不同剪切速率下巖石節(jié)理的強度特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(12):2435-2440.
[5]李夕兵,王衛(wèi)華,馬春德.不同頻率載荷作用下的巖石節(jié)理本構(gòu)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(2):247-253.
[6]左宇軍,李夕兵,唐春安,等.受靜載荷的巖石在周期載荷作用下破壞的試驗研究[J].巖土力學(xué),2007,28(5):927-932.