應變速率對紅砂巖破壞研究范文

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《解放軍理工大學學報》2016年第3期

摘要:

為了探究應變速率對節理巖體裂紋擴展形態和貫通破壞的影響,提出室內制作含裂隙的紅砂巖試樣,采用不同加載速率進行單軸加載試驗,觀察裂隙起裂、貫通、破壞的全過程,并在物理試驗基礎上利用數值分析軟件對結果進行分析和驗證.結果表明:隨著加載速率的增加,試樣的峰值強度增加,試樣發生應力強度跌落時的應變也有一定的增長,并且裂隙的擴展方式也不局限于沿著試件高度H方向開展,而有部分裂隙發生橫向L方向擴展和貫通,導致試樣逐漸從局部破壞形式向整體破壞形勢發展.同時,裂隙強度在單軸加載時伴隨裂隙傾角和加載速率的增加而變大,裂隙貫通強度對裂隙傾角變化更敏感.

關鍵詞:

巖石力學;應變速率;裂隙擴展;破壞機制;貫通強度

由于山體、邊坡等的破壞往往造成重大的工程安全事故,通過理論推導、試驗分析和數值模擬等方法,探究裂隙分布形式、巖橋傾角和裂隙間距等因素對節理裂隙巖石破壞特征和裂隙擴展方式的影響取得了一定的成果[1G2].張平等[3G4]運用滑移型裂紋模型模,采用裂紋密度的方法考慮多裂隙的相互作用,分析了不同應變速率下非貫通裂隙介質的單軸抗壓強度特征;楊圣奇[5G6]進行了多條預制裂隙砂巖強度和裂紋擴展特征的試驗研究,并總結了試樣宏觀變形特性與裂紋擴展間的關系;蒲成志等[7]基于滑動裂紋模型理論,結合試件破壞全應力G應變曲線和貫通破壞面顆粒體破壞形態,分析了裂隙試件斷裂破壞機理;王述紅等[8G9]提出了將確定性結構面與隨機結構面相結合來模擬巖體結構面的方法,同時引入結構面動態校核機制,建立比較精細的結構面空間模型;劉學偉等[10]系統地研究了T形、X形交叉裂隙等多種裂隙分布形式對巖體強度特征及失穩模式的影響.但是目前關于加載速率對雁形結構面裂隙擴展形態的影響的試驗研究仍不夠充分,且罕有關于裂隙貫通強度對加載速率的敏感性研究.本文在實驗室模型試驗基礎上,數值模擬了不同加載速率下節理巖體的力學行為,并重點討論應變速率對紅砂巖預制裂隙貫通破壞機制影響,簡單比較了裂隙強度對加載速率和結構面傾角的敏感性.

1試驗概況

1．1試樣制備

本次試驗用紅砂巖采自遼寧省鞍山市,巖塊宏觀結構均勻一致.采集的紅砂巖試塊,經實驗室精加工,制備成完整的紅砂巖長方體巖樣.試樣的尺寸為:寬度L×高度H×厚度W＝100mm×200mm×30mm.在完整長方體巖樣上標出預制裂紋的位置,然后用高壓水槍在裂紋的端部沖孔,沖孔完成后沿標出的裂紋位置完成整個裂紋的切割,得到含預制雙裂隙的紅砂巖試樣,如圖1所示.預制的裂隙長度均為d＝18mm,裂隙傾角為α,裂隙之間的巖橋長度和巖橋傾角分別為d＝18mm和β＝60°,預制的兩條裂隙寬度w均近似為2􀆰0mm.

1．2方案

本試驗采用12個試樣,共分3組,每組4個試塊.每組內4個試塊的裂隙傾角α分別為30°,45°,60°,75°,每組內的4個試塊加載速率相同,不同組的試塊采用不同的加載速率進行加載,加載速率分別為0􀆰001,0􀆰002,0􀆰003mm/s.試驗在東北大學211工程巖土力學與地下工程實驗中心的YAGG3000微機控制巖石剛度試驗機上進行.該試驗系統可通過控制軸向位移的方式控制軸壓,并能自動采集實驗數據,系統所能施加的最大軸向力為3000kN.

1．3加載方法與數據采集

試驗程序如下:試驗前,在試樣上下端部均勻涂抹一層凡士林,以減少端部摩擦.試驗時,首先將試樣放在巖石試驗機中央;其次,調整試塊與加載設備間距至合適位置;然后,采用控制軸向位移的方式,對試件進行單軸加載.本試驗采用一次加載,當預制裂隙貫通,試塊喪失承載能力時(此時的應變約為0􀆰9％),卸載.在加載的同時,采用數碼攝像機連續拍攝結合數碼照相機瞬間抓拍的方法,對加載過程預制裂隙的起裂、貫通及破壞過程進行記錄,并用試驗儀器自帶的軟件采集試塊的應力G應變曲線等試驗數據.

2結果及分析

圖2為3個不同加載速率下含兩條預制裂隙的紅砂巖單軸壓縮試驗所得的應力G應變曲線對比情況.不同加載速率下,含預制雙裂隙紅砂巖破壞過程相似,都是預制裂隙先發生起裂,貫通,并在外加荷載的作用下裂隙逐漸延伸,最終導致試塊破壞.不同加載速率下,試塊的應力G應變曲線變化趨勢也大致相同,均有一次明顯的應力跌落.若只分析某一速率下的應力G應變曲線可知:在初始階段應力隨應變的增長而緩慢增加;當應變到達0􀆰3％左右后,應力進入快速增長階段,且應力隨應變增長的速率逐漸加快;當應變增長至0􀆰9％附近達到極值,隨后由于兩條預制裂隙接近貫通,出現應力跌落現象,即應變不發生變化應而力大幅減小;之后應力隨應變緩慢增長,但此時試樣已經失去承載能力,發生脆性破壞.

2．1加載速率對峰值強度的影響

由不同速率下試樣的應力G應變曲線對比可知,隨著加載速率變快,試件的峰值強度有一定增長,且加載速率越快,峰值強度增加得越多.在加載速率為0􀆰001mm/s時,峰值強度為29􀆰36MPa;當加載速率增加至0􀆰002mm/s時,峰值強度為34􀆰86MPa,峰值強度的變化值為5􀆰50MPa;當加載速率增加至0􀆰003mm/s時,峰值強度為45􀆰18MPa,峰值強度的變化值約為10􀆰32MPa.可見,由于加載速率的增加,裂隙的萌生,擴展和貫通消耗的能量越多,導致試塊的承載力有一定的增長,峰值強度變大.

2．2加載速率對應力強度跌落時應變的影響

由試驗數據可知,加載速率越快,試件發生應力強度跌落時對應的應變值也越大.在加載速率為0􀆰001mm/s時,應力強度跌落時的應變值為0􀆰84％;當加載速率增加至0􀆰002mm/s時,應力強度跌落時的應變值為0􀆰93％;當加載速率增加至0􀆰003mm/s時,應力強度跌落時的應變值為1􀆰08％.可見,加載速率的增加,使由預制裂隙貫通導致的應力強度跌落現象在產生更大的應變后發生.

2．3加載速率對破壞形態的影響

圖3為不同加載速率下含預制雙裂隙紅砂巖試樣破壞后的實物圖,其中,圖3(a~c)的裂隙傾角為45°,圖3(d~f)的裂隙傾角為60°.從圖中可以看出,不同應變速率下的破壞形式大體相同,導致試樣最終破壞的主要原因是兩條預制裂隙的貫通.但是,隨著加載速率的增加,在兩條預制裂隙外端會萌生更多裂隙,且裂隙延伸的方向和距離有一定的差異.從裂縫延伸和分布情況看,當單向加載速度為0􀆰001mm/s時,裂隙主要從預制裂隙外端部向試件邊緣,沿著試件高度H方向擴展,且萌生的裂隙較少;當加載速度為0􀆰002mm/s時,主要的裂隙仍是從預制裂隙外端部向試件邊緣,沿著試件高度H方向擴展,但在上方的預制裂隙兩端各萌生出一條新的裂隙,并且其中一條裂隙有沿著試件寬度L方向,即橫向延伸的趨勢;當加載速度為0􀆰003mm/s時,在兩條一直裂隙的外端各萌生出兩條新的裂隙,且裂隙的延伸不再局限于沿著試件高度H方向擴展,部分裂隙沿著試件寬度L方向延伸的趨勢更加明顯.對于從上方預制裂隙外端萌生的兩條裂隙在試件的端部,即遠離預制裂隙的位置上還有發生橫向貫通的趨向.所以,隨著加載速率的增加,試樣破壞得更嚴重,裂隙遍布范圍更廣,且試樣整體破壞形式呈現從局部破壞向整體破壞發展的態勢.

3數值分析

運用FLAC3D軟件,通過建立模型、定義荷載、邊界條件等步驟,模擬含有斷續雙裂隙紅砂巖在不同速率下加載的試驗.在運用軟件模擬加載過程時,首先對試樣底面施加Z方向位移約束,頂面采用不同時步進行加載.然后,設定的試塊物理力學參數為:彈性模量32􀆰8GPa,泊松比0􀆰22,黏聚力為28􀆰6MPa,內摩擦角為41􀆰2°,抗拉強度為2􀆰46MPa.最后,利用ANSYS建立模型并利用其自動劃分網格功能進行網格劃分,設定網格邊長2􀆰5mm,提交作業,經過軟件自帶的后處理功能,可以得到塑性區域示意圖.通過提取的單元塑性狀態,可以判斷破壞模式為脆性破壞;通過模擬過程中記錄的應力G應變曲線,可以判斷式樣的力學特征.圖4給出了運用FLAC3D軟件模擬單軸荷載作用下含斷續雙裂隙紅砂巖試樣破壞過程中試樣塑性區域示意圖.其中:藍色部分表示未發生塑性破壞區域,紅色部分表示拉伸塑性區,其他顏色表示剪切塑性區.從數值模擬所得試樣塑性區域示意圖中可以明顯看到:隨著時步的增加,單軸壓縮荷載對試樣的影響越大,塑性區范圍越廣.在較小的單軸加載速率下,塑性區主要分布在預制裂隙的周圍,且塑性區延伸范圍不是很廣,未能遍及整個試件,呈現一種局部破壞的形態;對于較大加載速率,試樣的塑性區分布范圍逐漸從預制裂隙的周圍向試件邊緣擴展,最終幾乎遍及整個試樣,并呈現一種整體破壞的形態.總之,從數值模擬所得試樣塑性區域示意圖中可以明顯看到:隨著加載速率的增加,單軸壓縮荷載對試樣的影響越大,塑性區范圍越廣,說明發生貫通的裂隙越多,在預制裂隙周圍萌生的新的裂隙數量也隨著加載速率的增大而有所增長.但由于初始邊界條件等參數選取與實際值存在一定的差異,對于數值分析結果仍需進一步修正和檢驗.

4加載速率對貫通強度影響分析

關于靜載下預制裂隙貫通強度的分析,目前大多采用滑移型裂紋模型對裂紋的萌生和擴展進行模擬.并考慮到含裂隙試樣在外載作用下,由于預制裂隙上下表面間的相互滑移而產生拉應力.由于裂隙強度不易用試驗方法直接測得,所以采用數碼攝像機連續拍攝結合數碼照相機瞬間抓拍的方法記錄破壞過程,結合記錄的裂隙貫通時的試樣強度間接反映裂隙的強度變化.圖5為不同裂隙傾角下結構面貫通強度隨加載速率變化情況的對比.從貫通強度隨裂隙傾角的變化情況可以看出,隨著裂隙傾角的增加,貫通強度也逐漸增加,且增加的速率也逐漸加快.這說明裂隙傾角的增加在一定程度上提高了含裂隙試樣的承載能力,裂隙傾角的增大對裂隙間巖體起到了一定的“套箍作用”,并且這種作用隨著裂隙傾角的增加而逐漸加強從貫通強度隨加載速率的變化情況可以看出,隨著加載速率的增加,貫通強度也隨之增加,但這種作用沒有裂隙傾角的作用明顯.即裂隙貫通強度對裂隙傾角的敏感度強于其對加載速率的敏感性.

5結論

(1)不同加載速率下,含預制雙裂隙紅砂巖破壞過程大致相同,導致試樣最終破壞的主要原因都是兩條非共線預制裂縫的貫通,且應力G應變曲線均有一次明顯跌落現象.隨著加載速率的增加,含預制雙裂隙紅砂巖試樣的峰值強度增大,試件發生應力強度跌落時對應的應變也越大.

(2)靜載下裂隙強度會隨著裂隙傾角和加載速率的增而增加,且裂隙貫通強度對兩個影響因素敏感度前者強于后者.從最終試樣的破壞形態和數值模擬結果看來看,隨著加載速率增加,試樣萌生的裂隙數量更多,延伸的方向更多樣,單軸壓縮荷載作用產生的塑性區范圍更大,并且完整試樣的破壞形態從局部破壞向整體破壞發展.

(3)不同應變速率對裂隙巖體特性影響因素眾多,特別是在動載荷作用下,裂隙巖體破壞機理更為復雜,在后續試驗研究中另文專題討論.

參考文獻:

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作者:王述紅 張通 祝梓航 鄭雪梅 單位:東北大學資源與土木工程學院 遼寧省環境巖土工程重點實驗室