冉 耀，陳國(guó)慶，黃博睿，張曉東，陳叢姍

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

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直剪條件下不同寬度巖橋破壞特征試驗(yàn)研究

冉 耀，陳國(guó)慶，黃博睿，張曉東，陳叢姍

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

通過(guò)直剪條件下的力學(xué)模型試驗(yàn), 結(jié)合對(duì)模型破壞過(guò)程中聲發(fā)射特征參數(shù)的分析，揭示了巖體在不同寬度巖橋和法向應(yīng)力條件下的破壞特征。結(jié)果表明：隨著巖橋?qū)挾鹊脑黾樱茐拿嫫鸱?、粗糙度都相?yīng)增大；隨著法向應(yīng)力的增加，破壞面的起伏程度和粗糙度減小，峰值剪切應(yīng)力不斷增大；不同巖橋?qū)挾群头ㄏ驊?yīng)力導(dǎo)致巖體產(chǎn)生不同方式的破壞，包括剪斷破壞、拉剪復(fù)合破壞和剪切破壞；聲發(fā)射階段性特征與巖橋貫通破壞過(guò)程一致，聲發(fā)射事件數(shù)峰值隨巖橋?qū)挾群头ㄏ驊?yīng)力的增大而增大，其峰值出現(xiàn)時(shí)間在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值之后。研究結(jié)果為判別不同寬度巖橋變形與破壞各個(gè)階段提供依據(jù)。

直剪試驗(yàn)；巖橋；聲發(fā)射；法向應(yīng)力；破壞特征

1 研究背景

巖體是由各種形狀的巖塊和結(jié)構(gòu)面組合而成的復(fù)雜工程介質(zhì)，常被各種節(jié)理和裂隙切割為碎裂結(jié)構(gòu)，從而形成節(jié)理化巖體[1]。對(duì)于非貫通性節(jié)理巖體，其受力后破壞形式主要為沿原生節(jié)理和沿巖橋兩端擴(kuò)展而成的巖橋斷面組成的復(fù)合破壞面破壞[2]。非貫通性節(jié)理巖體強(qiáng)度介于巖石材料本身強(qiáng)度和節(jié)理面強(qiáng)度之間，變形破壞受控于巖橋鎖固段的強(qiáng)度，其破壞機(jī)制和破壞方式都十分復(fù)雜。目前在探索影響巖橋貫通破壞的力學(xué)效應(yīng)方面已經(jīng)做了大量的模型試驗(yàn)研究，并且取得了不少成果。

巖體中巖橋一般處于壓剪應(yīng)力狀態(tài)下，許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了研究。E.Z.Lajtai[3]提出巖橋破壞理論，根據(jù)法向應(yīng)力的大小變化，將巖橋的破壞分為張拉、剪切和擠壓3種破壞模式，但沒(méi)有考慮巖橋拉剪復(fù)合破壞的情況。 T.Savilahti等[4]對(duì)含2條不共面的斷續(xù)節(jié)理的巖體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖橋的破壞源于巖橋端部，初始擴(kuò)展方向與原生節(jié)理面近于垂直。劉遠(yuǎn)明等[5-6]提出斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞可分為張拉破壞、拉剪復(fù)合破壞和剪切破壞3種模式，并在模型直剪試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了巖橋力學(xué)性質(zhì)弱化機(jī)制。范雷等[7]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征參數(shù)與頻譜特性，深化了對(duì)巖體變形破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)。周小平等[8]通過(guò)室內(nèi)巖石結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)，研究巖橋破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特性，分析聲發(fā)射事件數(shù)和能率的變化規(guī)律。陳國(guó)慶等[9]對(duì)室內(nèi)小尺寸巖橋進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，并根據(jù)聲發(fā)射事件數(shù)與記錄時(shí)間的關(guān)系，對(duì)比分析了巖橋?qū)嶋H的破壞模式，借以反映巖石樣品內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展特征。

本文借助聲發(fā)射儀器對(duì)不同寬度巖橋的較大尺寸巖體模型進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究不同寬度巖橋在不同法向應(yīng)力條件下的破壞特性，分析不同寬度巖橋的變形和破壞機(jī)理。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制備

圖1 節(jié)理分布形態(tài)Fig.1 Joint distribution

試驗(yàn)材料選用強(qiáng)度較高的水泥石英砂漿，材料配比為石英砂∶水泥∶石膏∶水=6∶3∶3∶2，將各種材料混合攪拌均勻后，倒入預(yù)制模具(內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)中振搗密實(shí)，節(jié)理處預(yù)先放入薄鋼片，待成型后取出鋼片，保持在溫度20 ℃，濕度65%的養(yǎng)護(hù)條件下風(fēng)干。為研究不同寬度巖橋剪切變形和破壞規(guī)律，將試樣分為4組，巖橋預(yù)留寬度b分別為50，60，70，80 mm，對(duì)應(yīng)模型的節(jié)理連通率分別為0.5，0.6，0.7，0.8(見(jiàn)圖1)。每組5個(gè)，共20個(gè)試樣。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖2)。其中加載系統(tǒng)采用YDS-3型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)，能簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行預(yù)壓法向應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)，且加載過(guò)程完全實(shí)行自動(dòng)化，所有測(cè)量數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。在試驗(yàn)過(guò)程中，配套軟件還可實(shí)時(shí)顯示法向、切向應(yīng)力和位移的數(shù)值，并自動(dòng)繪制切向應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線。聲發(fā)射測(cè)試則使用PAC公司研制的PCI-Ⅱ聲發(fā)射信號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶通濾波功能、前端濾波功能、波形前端濾波功能等，有利于試驗(yàn)環(huán)境下去除AE設(shè)備的噪聲和采集所需要且有用的AE信號(hào)。此外，該系統(tǒng)的浮動(dòng)門(mén)檻設(shè)定方式相比傳統(tǒng)的固定門(mén)檻設(shè)定方式在復(fù)雜噪聲背景下更有效。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Testing system

圖3 聲發(fā)射探頭布置圖Fig.3 Arrangement of AE probes

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)布置

聲發(fā)射探頭布置如圖3所示，為了提高AE事件三維定位的精度，確保試驗(yàn)效果，試驗(yàn)采用固定布置在試樣正反面的6個(gè)探頭組成探頭陣來(lái)采集數(shù)據(jù)。聲發(fā)射探頭主要沿剪切面布置，其中正面布置3個(gè)(編號(hào)為1，2，3)，背面布置3個(gè)(編號(hào)為4，5，6)。

2.4 試驗(yàn)方法

試樣在0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa法向應(yīng)力下分別進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先施加法向荷載至預(yù)定值，隨后按荷載控制方式施加切向荷載至試樣破壞，加載速率為0.01 kN/s，切向位移達(dá)到10 mm即停止加載。試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集計(jì)算法向位移、法向應(yīng)力、剪切荷載、剪切位移、剪切應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

圖4 峰值剪切應(yīng)力-法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Peak shear stress vs.normal stress

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同法向應(yīng)力下相同寬度巖橋破壞特征

對(duì)比巖橋相同寬度

(巖橋?qū)挾葹?0 mm)在不同法向應(yīng)力條件下的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其它條件都相同的情況下，峰值剪切應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增加而增大(如圖4)。觀察試樣的破壞面發(fā)現(xiàn)，隨著法向應(yīng)力增加，破壞面的起伏程度減小，而可見(jiàn)擦痕面積明顯擴(kuò)大。

圖5 直剪全過(guò)程剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.5 Curves of shear stress vs. displacement in the whole direct shearing process

觀察剪切應(yīng)力-剪切位移全過(guò)程曲線(圖5)發(fā)現(xiàn)，曲線峰前沒(méi)有明顯的屈服過(guò)程，剪切應(yīng)力迅速上升至峰值，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似完整巖塊的變化規(guī)律，巖體呈現(xiàn)脆性破壞。隨著法向應(yīng)力的增大，峰值剪切應(yīng)力逐漸增大，且在其到達(dá)峰值時(shí)的剪切位移也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。較大法向應(yīng)力條件下，曲線在達(dá)到應(yīng)力峰值前出現(xiàn)屈服過(guò)程，加大了試樣的塑性特征。曲線在到達(dá)峰值前呈現(xiàn)鋸齒形，即剪切應(yīng)力在上升過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些較小的應(yīng)力降，但隨后應(yīng)力會(huì)繼續(xù)上升，從而出現(xiàn)大量“鋸齒”，表明試樣在剪切過(guò)程中出現(xiàn)了小型的脆性破裂致使部分應(yīng)力釋放，常伴隨有噼啪的斷裂聲。

3.2 同等法向應(yīng)力條件下不同寬度巖橋破壞特征

對(duì)比在同等法向應(yīng)力條件下不同寬度巖橋的試驗(yàn)結(jié)果，分析試樣的破壞面發(fā)現(xiàn)，隨巖橋?qū)挾鹊脑龃?，破壞面更粗糙，起伏度、粗糙度都相?yīng)增大。說(shuō)明巖橋的寬度將影響試樣的破壞模式，最終對(duì)巖橋破壞機(jī)理造成影響。

不同法向應(yīng)力條件下不同寬度巖橋試樣的破壞形態(tài)及總體破壞模式分別如圖6和圖7所示。當(dāng)巖橋?qū)挾容^小時(shí)，破壞面直接從巖橋兩端延伸并貫通，試樣以剪斷破壞方式為主(圖7)，試樣破壞的初裂紋很小，且與剪切面小角度相交，甚至無(wú)初裂紋。這種模式下巖橋直接剪斷破壞，剪脹效應(yīng)不明顯，巖橋破壞面較平直，粗糙度較小。

注：b為巖橋?qū)挾?。圖6 不同法向應(yīng)力條件下巖橋破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of rock bridges under different normal stresses

隨著巖橋?qū)挾鹊脑龃?，試樣趨于以拉剪?fù)合方式破壞(圖7)，巖橋兩端初始發(fā)育較陡直的拉裂紋，拉裂紋不斷延伸并逐漸被一條剪切裂紋連通，剪切裂紋與最大主應(yīng)力方向一致，并最終形成多條近于平行的剪裂紋。試樣塊體內(nèi)也會(huì)存在少量拉裂紋，破壞面近于弧形，直至最終貫通破壞。這種模式下巖橋初裂紋以張拉方式擴(kuò)展并以張拉方式延伸貫通，且初始裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，裂紋張開(kāi)度也較大，試件的整體剪脹效應(yīng)更為顯著，巖橋破壞面的起伏度大、粗糙。

當(dāng)巖橋?qū)挾容^大時(shí)，試樣首先從巖橋兩端發(fā)育裂紋，且形成共扼剪切裂紋，剪切面起伏度大，趨于“Z”字型，破壞面與共扼剪切裂紋交叉、貫通。最終試樣以剪切方式破壞(圖7)。

圖7 直剪試驗(yàn)巖橋破壞模式Fig.7 Failure modes of rock bridge of different widths under direct shear

隨著巖橋?qū)挾鹊臏p小和法向應(yīng)力的增加，試樣更趨向于以剪斷方式破壞。巖橋兩端初始發(fā)育拉裂紋很小，甚至無(wú)初裂紋，試樣破壞時(shí)剪脹效應(yīng)不明顯，破壞面隨法向應(yīng)力增大而趨于平直、光滑。這種現(xiàn)象有助于解釋巖質(zhì)邊坡鎖固段的破壞機(jī)理[9]。

直剪條件下，巖橋?qū)挾燃捌淇辜魪?qiáng)度參數(shù)和節(jié)理面的幾何及力學(xué)特性是巖橋兩端發(fā)生初裂的控制因素，主要是拉應(yīng)力集中所引起的拉破裂，它能使試樣的最終破壞強(qiáng)度降低。但試樣后期變形和破壞的控制因素主要是巖橋鎖固段材料的抗剪強(qiáng)度，即試樣最終破壞是作用于巖橋的剪切作用超過(guò)其抗剪強(qiáng)度所引起的剪破裂。通常，這種拉剪復(fù)合破壞出現(xiàn)的情況最多，即試樣先以張拉方式發(fā)生初裂，而后按剪切方式擴(kuò)展并貫通破壞。

3.3 聲發(fā)射事件特征

結(jié)合上述對(duì)巖橋破壞特征的分析，根據(jù)直剪過(guò)程的聲發(fā)射事件特征(見(jiàn)圖8、圖9)，巖橋在貫通破壞過(guò)程中呈現(xiàn)明顯的階段性，整體表現(xiàn)為脆性剪切破壞。在試樣線彈性變形過(guò)程中，基本沒(méi)有聲發(fā)射事件；在試樣沿節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)時(shí)，聲發(fā)射事件也很少；隨著剪切應(yīng)力的增大，巖橋兩端開(kāi)始發(fā)育裂紋并隨之?dāng)U展，當(dāng)剪切應(yīng)力在達(dá)到某一值時(shí)突然出現(xiàn)一個(gè)較小的應(yīng)力降，隨后剪切應(yīng)力繼續(xù)爬升的過(guò)程中，試樣內(nèi)部持續(xù)出現(xiàn)小型的脆性破裂，此時(shí)聲發(fā)射事件開(kāi)始持續(xù)增加；巖橋被剪斷破壞時(shí)，聲發(fā)射事件突然大量增加。

圖8 巖橋?qū)挾葹?0 mm時(shí)不同法向應(yīng)力下剪切過(guò)程的聲發(fā)射事件數(shù)Fig.8 Number of AE events in the process of direct shear of rock bridge of 80 mm width under different normal stresses

圖9 法向應(yīng)力為1.4 MPa時(shí)不同寬度巖橋剪切過(guò)程的聲發(fā)射事件數(shù)Fig.9 Number of AE events in the process of direct shear of rock bridge of different widths under normal stress of 1.4MPa

隨著巖橋?qū)挾群头ㄏ驊?yīng)力的增加，巖橋內(nèi)部積聚的能量增加，試樣抵抗直剪破壞的能力加強(qiáng)，且AE活動(dòng)在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值后更加頻繁，聲發(fā)射事件數(shù)峰值也越大，其出現(xiàn)的時(shí)間也越晚。此時(shí)剪切面積和法向應(yīng)力較大，試樣從巖橋兩端發(fā)育初始拉裂紋到最終貫通破壞所需時(shí)間更長(zhǎng)，破壞時(shí)形成的破裂面更多。

4 結(jié) 論

(1) 巖橋貫通破壞過(guò)程呈現(xiàn)明顯的階段性，歷經(jīng)了線彈性變形、沿節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)、巖橋兩端起裂并擴(kuò)展、巖橋被剪斷破壞等階段，表現(xiàn)為脆性剪切破壞。

(2) 在同等法向應(yīng)力條件下，隨著巖橋?qū)挾炔粩嘣龃?，破壞面的起伏度、粗糙度相?yīng)增大。在相同巖橋?qū)挾葪l件下，隨著法向應(yīng)力的增加，破壞面的起伏程度和粗糙度均減小，而峰值剪切應(yīng)力不斷增大。

(3) 直剪試驗(yàn)中，巖橋的寬度和法向應(yīng)力的大小對(duì)巖體的破壞特性影響顯著，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生不同方式的破壞，包括剪斷破壞、拉剪復(fù)合破壞和剪切破壞。其中，隨著巖橋?qū)挾鹊臏p小和法向應(yīng)力的增加，試樣以剪斷破壞方式為主。

(4) 聲發(fā)射階段性特征明顯，且與巖橋貫通破壞過(guò)程一致，有助于判別巖體變形與破壞各階段。其中聲發(fā)射事件數(shù)峰值隨巖橋?qū)挾群头ㄏ驊?yīng)力的增大而增大，其峰值出現(xiàn)時(shí)間在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值之后。

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(編輯：陳 敏)Experimental Study on Failure Characteristics of Rock Bridge ofDifferent Widths under Direct Shear

RAN Yao, CHEN Guo-qing, HUANG Bo-rui, ZHANG Xiao-dong, CHEN Cong-shan

(College of Environmental and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The failure characteristics of rock mass under different widths of rock bridge and normal stresses were revealed through mechanical model test in association with analyzing the characteristic parameters of acoustic emission during the failure process. Results showed that with the increase of the width of the rock bridge, the fluctuation of failure surface and the roughness of the surface both increased. With the increase of normal stress, the peak shear stress increased continuously but the degree of fluctuation and roughness of the failure surface decreased. The failure modes of rock bridges of different widths under different normal stresses varied, including cutting damage, tensile-shear composite failure, and shear failure.The characteristics of acoustic emission were consistent with the failure process of the rock bridge, and the peak value of AE events, which appeared after the peak of shear stress, increased with the increase of the width of rock bridge and the normal stress.The results provide basis for identifying different destruction stages of rock bridge with different widths.

direct shear test; rock bridge; acoustic emission; normal stress; failure characteristics

2015-08-14 ；

2015-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130745,41521002,41272330)；成都理工大學(xué)大學(xué)生課外科技立項(xiàng)項(xiàng)目(2014KL014)

冉 耀(1993-)，男，四川萬(wàn)源人，碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)方面的研究，(電話)18328504058(電子信箱)ryao93@163.com。

10.11988/ckyyb.20150684

2016,33(10):131-134,144

TU45

A

1001-5485(2016)10-0131-04