宋 洋,張峰源,李永啟,杜炎齊,王韋頤
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與交通學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)
巖體作為一種普遍的非連續(xù)介質(zhì),內(nèi)部蘊(yùn)含各種滑動(dòng)面、裂隙、節(jié)理、弱面以及斷層等。巖體中的節(jié)理對巖體力學(xué)特征和失穩(wěn)損傷演化起著主導(dǎo)作用,在壓剪應(yīng)力作用下巖塊沿節(jié)理面產(chǎn)生剪切位移導(dǎo)致失穩(wěn)是最常見的破壞模式。巖體中的節(jié)理不僅削弱巖體的穩(wěn)定性,而且造成巖體內(nèi)應(yīng)力分布冗雜。因此錨固節(jié)理巖體剪切破壞特征尤其是塑性剪切破碎帶的研究具有重要意義。
國內(nèi)外很多學(xué)者對巖體進(jìn)行了大量的宏細(xì)觀研究,取得了卓有成效的研究成果。錢慶波等[1]總結(jié)出在峰值荷載前后新生裂隙擴(kuò)展表現(xiàn)出明顯不同的特點(diǎn),在峰值荷載之前新生裂隙經(jīng)受了壓密、剪切裂隙增長、拉伸裂隙和剪切裂隙共同增長等階段;郭朋瑜等[2]得出試樣破裂面可分為翼部拉張區(qū)、翼部壓剪區(qū)、端部拉張區(qū)三部分,各區(qū)面積所占比例隨節(jié)理位置變化而波動(dòng);張永政等[3]研究不同粗糙度下錨固節(jié)理巖體的破壞特征和錨固機(jī)理,得出了當(dāng)剪切試驗(yàn)中節(jié)理面的微凸體沒有發(fā)生太大的破壞時(shí),錨固體系的峰值剪切強(qiáng)度隨粗糙度的增加而不斷變大的結(jié)論;連蓮等[4]對不同充填厚度下節(jié)理面的剪切破壞行為和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明在同一粗糙度下,不同厚度充填節(jié)理的破壞模式?jīng)]有明顯區(qū)別,主要表現(xiàn)為粘結(jié)面的破壞;REIK等[5]對貫通節(jié)理巖體試件進(jìn)行了真三軸壓縮試驗(yàn),得出了當(dāng)應(yīng)力與節(jié)理走向平行時(shí),中間主應(yīng)力的影響相對較小;FERRERO[6]對加錨混凝土及巖石進(jìn)行了剪切試驗(yàn)指出影響抗剪強(qiáng)度的因素有錨桿材質(zhì)、桿體尺寸及巖體類型;宋英龍等[7]通過PFC2D軟件利用單軸壓縮試驗(yàn)標(biāo)定水泥砂漿試塊得出了隨著節(jié)理形貌錯(cuò)位量的增加峰值抗剪強(qiáng)度不斷減??;王剛等[8]基于顆粒流理論,分別在恒定法向剛度與恒定法向荷載邊界下,討論了不同節(jié)理形貌巖石節(jié)理面的細(xì)觀破壞機(jī)理與力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律;通過以上總結(jié),目前國內(nèi)外對節(jié)理巖體的強(qiáng)度影響因素有一定研究,但是對不同節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體宏細(xì)觀剪切破壞還需進(jìn)一步深入研究,本文考慮不同節(jié)理傾角,采取室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的辦法,分別從宏觀和細(xì)觀的角度對錨固節(jié)理巖體的破壞進(jìn)行分析,研究不同節(jié)理傾角錨固節(jié)理巖體剪切行為和破壞模式。
由于采集真實(shí)錨固節(jié)理巖體困難,故選擇相似材料制作錨固節(jié)理巖體。本文采用的材料是水泥、砂和水并且按照質(zhì)量比為1∶1∶0.45攪拌制成試件,所得材料的物理性質(zhì)與巖石比較接近,根據(jù)研究目的設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案如表1所示。
表1 節(jié)理巖體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Experimentation design of jointed rock mass
根據(jù)表1的方案制作巖體試件,并用素水泥漿液黏合試件的兩部分,預(yù)留直徑為10 mm貫通的孔洞作為錨桿鉆孔放置錨桿,圖1為制作好的錨固節(jié)理巖體。
圖1 不同節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體試件Fig.1 Anchor-added through jointed rock mass specimens at different joint inclinations
本次試驗(yàn)主要研究節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響,對節(jié)理傾角為0°、30°、45°、60°的錨固貫通節(jié)理巖體試件進(jìn)行了剪切試驗(yàn)。采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室的TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī),為了降低端部效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)前在試件端面涂適量機(jī)油,這樣不僅能降低試件與剛性承壓板之間的摩擦約束,還能降低加載過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中,采用位移控制法進(jìn)行加載,加載速率控制在0.1 mm/min,并根據(jù)應(yīng)變率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,剪切位移達(dá)到5 mm為試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志,試驗(yàn)結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。
圖2 TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)Fig.2 TAW-2000 electro-hydraulic servo triaxial testing machine
錨固節(jié)理巖體主要依靠充填在節(jié)理中的素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”和錨桿剛度共同抵抗剪切應(yīng)力。錨固節(jié)理巖體剪切應(yīng)力—剪切位移曲線如圖4所示,不同節(jié)理傾角錨固節(jié)理巖體的曲線略有差別,但趨勢相同呈“雙駝峰”趨勢,隨著節(jié)理傾角的增加,最大剪切強(qiáng)度變化趨勢不是單調(diào)的出現(xiàn)的峰值點(diǎn)而且發(fā)生的位置出現(xiàn)滯后,說明貫通節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體的剪切破壞有影響,節(jié)理降低了錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度,由圖4可知節(jié)理傾角為45°時(shí)貫通節(jié)理錨固巖體的抗剪強(qiáng)度最大,由表2可知此時(shí)的抗剪強(qiáng)度達(dá)到17.9MPa。
圖4 不同節(jié)理傾角加錨貫通節(jié)理巖體剪力-位移曲線Fig.4 Shear force-displacement curve of rock mass with anchor through joints at different joint inclinations
表2 不同節(jié)理傾角最大抗剪強(qiáng)度-剪切位移Table 2 Maximum strength against shear force-shear displacement at different joint inclinations
綜合分析4種節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度曲線,曲線呈“雙駝峰”趨勢,對曲線各階段的特征分析如下:
OA段:彈性階段,該階段曲線基本呈直線,此階段由巖體自身和素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”共同抵抗剪切應(yīng)力。
AB段:跌落階段,該階段剪切應(yīng)力發(fā)生下降,原因在于節(jié)理面與巖體和節(jié)理面與錨桿交界處的水泥漿發(fā)生破壞,界面膠結(jié)力喪失,此階段錨桿也發(fā)揮作用,錨桿抗剪貢獻(xiàn)值小于膠結(jié)喪失的抗剪值,表現(xiàn)為剪切應(yīng)力下降。
BC段:回升階段,該階段剪切應(yīng)力發(fā)生回升,原因在于節(jié)理與巖體之間的“膠結(jié)作用”發(fā)生破壞,錨桿發(fā)揮主要的抗剪作用,錨桿抗剪貢獻(xiàn)值大幅度上升,錨固貫通節(jié)理巖體剛度回升。錨桿對節(jié)理面抗剪性能有增強(qiáng)效應(yīng),使錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度仍有一定程度的增長,巖體的穩(wěn)定性得到提高。
CD段:殘余階段,該階段錨桿形狀發(fā)生改變由初始階段的“1”字型轉(zhuǎn)化成“之”字形,試驗(yàn)結(jié)束錨桿未被剪斷發(fā)生屈服變形,錨桿的抗剪強(qiáng)度下降導(dǎo)致錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度下降。
錨固貫通節(jié)理巖體的力學(xué)特性受節(jié)理面傾角的影響非常明顯,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨固節(jié)理巖體變形到一定階段后,巖體沿節(jié)理面產(chǎn)生了明顯的相對滑移和錯(cuò)動(dòng),巖體表面出現(xiàn)裂紋并逐漸增多,裂紋延伸方向主要沿節(jié)理角度方向,錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度由巖體、節(jié)理和錨桿共同提供。當(dāng)節(jié)理傾角不同時(shí),錨固巖體將出現(xiàn)兩種不同的破壞模式:沿節(jié)理面的剪切破壞和沿最大剪切應(yīng)力方向的張拉破壞,初始階段錨固節(jié)理巖體裂隙發(fā)展緩慢,裂隙走向基本都和最大剪切應(yīng)力方向平行或成一定的夾角,隨著剪切位移的逐漸增加裂隙的數(shù)量和尺寸不斷增漲,剪切一段時(shí)間后,初始裂隙得到充分?jǐn)U展并且大量新裂隙開始產(chǎn)生,最后裂隙貫通導(dǎo)致試件破壞。在加載初期不同節(jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體,裂隙生成規(guī)律大致相同,但是隨著剪切位移的增加則出現(xiàn)不同的裂隙生成,錨固節(jié)理巖體剪切破壞形態(tài)如圖5所示。
圖5 錨固貫通節(jié)理巖體破壞形態(tài)圖Fig.5 Failure pattern diagram of anchoring through jointed rock mass
由于在室內(nèi)試驗(yàn)中顆粒接觸模量、黏聚力、法向抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀參數(shù)無法直接獲得,所以采用PFC內(nèi)置的參數(shù)標(biāo)定程序[9]對巖體材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行標(biāo)定,為了準(zhǔn)確地模擬錨固節(jié)理巖體實(shí)際的破壞形態(tài),采用的細(xì)觀參數(shù)見表3。
表3 各種材料PFC模型細(xì)觀參數(shù)Table 3 Microscopic parameters of PFC models of various materials
剪切過程中錨固節(jié)理巖體主要處于壓剪應(yīng)力狀態(tài),本文采用PFC內(nèi)置的FISH語言編程建立直剪試驗(yàn)?zāi)P?,對含有不同?jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體的破壞模式進(jìn)行研究與分析。直剪試驗(yàn)數(shù)值模擬模型如圖6所示,剪切盒基本模型主要由6面墻體組成,其中2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)墻體構(gòu)成上部剪切盒,4號(hào)墻體作為伺服墻體,對模型施加恒定的法向荷載,加載墻體為2號(hào)和5號(hào)墻體,使上部剪切盒可以水平運(yùn)動(dòng),下部剪切盒固定不動(dòng)。本文建立錨固巖體模型的主要部分包括上下塊體、錨桿、節(jié)理,錨固節(jié)理巖體的寬和高均為100 mm。對不同的節(jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體分別進(jìn)行直剪模擬試驗(yàn),得出剪切應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比如圖7所示,數(shù)值模擬曲線符合試驗(yàn)所獲得曲線的特點(diǎn),都是呈“雙駝峰”的形狀,模擬所得節(jié)理傾角為45°時(shí)的錨固節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度最大,符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,標(biāo)定所獲得的細(xì)觀參數(shù)可用來模擬室內(nèi)試驗(yàn)剪切。
圖6 加錨節(jié)理剪切數(shù)值模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of shear numerical model of anchor joint
圖7 試驗(yàn)—模擬曲線對比圖Fig.7 Comparison diagram of test-simulation curve
在剪切過程中顆粒間接觸力的方向和大小都是不斷變化的,本文利用PFC內(nèi)部的FISH語言編程對錨固節(jié)理巖體內(nèi)部顆粒接觸方位角進(jìn)行檢測。圖8和圖9是不同節(jié)理傾角下顆粒接觸方位演化圖,不同節(jié)理傾角下錨固貫通節(jié)理巖體內(nèi)部顆粒間法向接觸力變化趨勢基本一致的,但顆粒間切向接觸力是有差異的。
圖8 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體體內(nèi)部顆粒間法向接觸力的統(tǒng)計(jì)分布Fig.8 Statistical distribution of normal contact force between particles in anchoring through jointed rock mass at different joint inclinations
隨著錨固體系受切向荷載作用,顆粒間接觸愈發(fā)充分,但接觸力分布并不均勻,接觸方位角也不同:節(jié)理傾角為0°的錨固體系接觸方位角主要集中在40°~50°、100°~130°、200°~220°和280°~290°;節(jié)理傾角為30°的錨固體系接觸方位角主要集中在20°~40°和200°~220°;節(jié)理傾角為45°的錨固體系接觸方位角主要集中在30°~50°和210°~230°;節(jié)理傾角為60°的錨固體系接觸方位角主要集中在40°~70°和210°~240°;曲線包圍的面積越大接觸力越大。從圖9可以看出:隨著節(jié)理傾角的變化,切向接觸力的大小和方位角是不斷發(fā)生變化,并逐漸向節(jié)理方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),最終切向接觸方位角基本偏向節(jié)理傾角,這主要是由于剪切過程會(huì)導(dǎo)致節(jié)理面的剪脹,導(dǎo)致錨固貫通節(jié)理巖體組構(gòu)發(fā)生改變引起的。綜上所述,在整個(gè)錨固節(jié)理巖體剪切過程中隨著剪切位移增加,錨固節(jié)理巖體的顆粒的接觸數(shù)量及接觸方位角分布區(qū)域分布不同,顆粒間接觸方位角向節(jié)理傾角方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
圖9 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體體內(nèi)部顆粒間切向接觸力的統(tǒng)計(jì)分布Fig.9 Statistical distribution of tangential contact forces between particles in anchoring through jointed rock mass at different jointed inclinations
通過對圖9和表4進(jìn)行分析,節(jié)理傾角為45°加錨貫通節(jié)理巖體顆粒間真實(shí)的接觸總數(shù)最多,切向顆粒接觸力最大,說明錨固體系在剪切過程中節(jié)理傾角為45°時(shí)錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度效果最好,符合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。
表4 顆粒間力鏈統(tǒng)計(jì)Table 4 Force chain statistics between particles
利用PFC內(nèi)部的FISH語言對錨固節(jié)理巖體因剪切生成的裂隙進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測。圖10為當(dāng)剪切位移達(dá)到5 mm時(shí)不同節(jié)理傾角下錨固體系中裂隙分布情況,錨固節(jié)理巖體在加載過程中產(chǎn)生的宏觀裂隙是由產(chǎn)生的微觀裂隙不斷增加并且最終貫通引起的,在同等剪切位移的條件下巖體抗剪強(qiáng)度越高所生成的裂隙越少。圖10中黑色部分代表的是因剪切生成的裂隙,紅色線條代表的是錨桿,裂隙主要在剪切、節(jié)理以及錨桿附近生成,在剪切之后錨桿呈明顯的“之”字形,這也與室內(nèi)試驗(yàn)相吻合,裂隙生成的位置也與試驗(yàn)產(chǎn)生的裂隙位置相符合。四組試驗(yàn)?zāi)M除了節(jié)理傾角不同其余模擬條件一致,模擬結(jié)果說明不同的節(jié)理傾角對巖體抗剪強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不同的影響。綜合圖10與圖11可以得出結(jié)論:在節(jié)理傾角為45°時(shí),錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度最高,產(chǎn)生裂隙數(shù)量最少,抵抗剪切變形的效果最好,不同節(jié)理傾角的錨固貫通節(jié)理巖體產(chǎn)生的張拉裂隙的數(shù)量遠(yuǎn)大于剪切裂紋的數(shù)量,這是由于錨桿與周圍的顆粒擠壓十分劇烈,導(dǎo)致顆粒黏結(jié)發(fā)生斷裂,符合擠壓導(dǎo)致張拉裂紋作用機(jī)理。
圖10 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體內(nèi)部裂隙分布Fig.10 Distribution of internal fractures in rock mass with anchor through joints at different joint inclinations
圖11 錨固貫通節(jié)理巖體剪切裂隙圖Fig.11 Shear fracture table of anchored through jointed rock mass
利用PFC內(nèi)部的FISH語言對處于剪切試驗(yàn)狀態(tài)下的錨固節(jié)理巖體內(nèi)部細(xì)觀裂隙的生成進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測,對節(jié)理傾角是45°的錨固節(jié)理巖體進(jìn)行檢測。結(jié)合宏觀試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行分析,檢測點(diǎn)1、2是處于彈性階段,此階段有巖體和素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”抵抗剪切應(yīng)力,可以看出裂隙主要在節(jié)理附近產(chǎn)生;監(jiān)測點(diǎn)3、4是處于跌落階段的監(jiān)測點(diǎn),此階段節(jié)理面上下盤之間或節(jié)理面與錨桿交界處的水泥漿發(fā)生破壞,錨桿發(fā)揮抗剪作用,節(jié)理附近繼續(xù)生成裂隙,錨桿附近也開始產(chǎn)生裂隙并逐漸增多;監(jiān)測點(diǎn)5、6是處于回升階段的監(jiān)測點(diǎn),此階段素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”發(fā)生破壞,錨桿發(fā)揮主要的抗剪作用,此時(shí)裂隙主要生成的位置是錨桿附近,節(jié)理附近也有裂隙生成,但數(shù)量沒有錨桿附近裂隙多;監(jiān)測點(diǎn)7是處于殘余階段的監(jiān)測點(diǎn),錨桿發(fā)生屈服變形,節(jié)理和錨桿附近均生成裂隙;裂隙發(fā)展階段情況符合宏觀試驗(yàn)破壞階段。
圖12 節(jié)理傾角45°錨固巖體裂隙發(fā)育圖Fig.12 Fracture development of rock mass with joint inclination angle of 45°
(1)隨著節(jié)理傾角的改變,錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度曲線并不是呈線性增長,而是趨向于“雙駝峰”趨勢,當(dāng)節(jié)理傾角為45°時(shí),錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度最大,當(dāng)節(jié)理傾角為0°時(shí),錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度最小。
(2)錨固節(jié)理巖體在剪切試驗(yàn)的過程中,顆粒間的接觸方位角會(huì)向節(jié)理傾角方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),接觸力的方向分并不均勻,但是分布區(qū)域還是有一定規(guī)律,主要集中在節(jié)理附近。
(3)錨固節(jié)理巖體在剪切試驗(yàn)的過程中,會(huì)因?yàn)轭w粒間黏結(jié)鍵的斷裂生成裂紋,裂紋數(shù)生成的越少,其抗剪強(qiáng)度越高,當(dāng)節(jié)理傾角為45°時(shí),因剪切生成的裂紋數(shù)最少,所以抗剪強(qiáng)度最高,裂紋數(shù)量多為張拉裂隙,且高于剪切裂紋。
(4)室內(nèi)試驗(yàn)與PFC數(shù)值模擬的宏細(xì)觀結(jié)合得到整體、連續(xù)的裂隙分布,能夠用不同階段下的細(xì)觀裂隙表征不同階段下的試件宏觀破碎,從而揭示錨固節(jié)理巖體內(nèi)部裂隙演化規(guī)律,使其可以運(yùn)用到實(shí)際工程破壞模式的預(yù)測和巖體工程穩(wěn)定性評價(jià)中。
中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2020年5期