直剪條件下不同寬度巖橋破壞特征試驗研究

冉 耀，陳國慶，黃博睿，張曉東，陳叢姍

(成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，成都 610059)

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直剪條件下不同寬度巖橋破壞特征試驗研究

冉 耀，陳國慶，黃博睿，張曉東，陳叢姍

(成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，成都 610059)

通過直剪條件下的力學模型試驗, 結合對模型破壞過程中聲發(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力條件下的破壞特征。結果表明：隨著巖橋寬度的增加，破壞面起伏度、粗糙度都相應增大；隨著法向應力的增加，破壞面的起伏程度和粗糙度減小，峰值剪切應力不斷增大；不同巖橋寬度和法向應力導致巖體產生不同方式的破壞，包括剪斷破壞、拉剪復合破壞和剪切破壞；聲發(fā)射階段性特征與巖橋貫通破壞過程一致，聲發(fā)射事件數(shù)峰值隨巖橋寬度和法向應力的增大而增大，其峰值出現(xiàn)時間在剪切應力達到峰值之后。研究結果為判別不同寬度巖橋變形與破壞各個階段提供依據(jù)。

直剪試驗；巖橋；聲發(fā)射；法向應力；破壞特征

1 研究背景

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

巖體中巖橋一般處于壓剪應力狀態(tài)下，許多學者都對此進行了研究。E.Z.Lajtai[3]提出巖橋破壞理論，根據(jù)法向應力的大小變化，將巖橋的破壞分為張拉、剪切和擠壓3種破壞模式，但沒有考慮巖橋拉剪復合破壞的情況。 T.Savilahti等[4]對含2條不共面的斷續(xù)節(jié)理的巖體進行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)巖橋的破壞源于巖橋端部，初始擴展方向與原生節(jié)理面近于垂直。劉遠明等[5-6]提出斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞可分為張拉破壞、拉剪復合破壞和剪切破壞3種模式，并在模型直剪試驗研究的基礎上提出了巖橋力學性質弱化機制。范雷等[7]通過對現(xiàn)場巖體進行直剪試驗，研究破壞過程中的聲發(fā)射特征參數(shù)與頻譜特性，深化了對巖體變形破壞機制的認識。周小平等[8]通過室內巖石結構面直剪試驗，研究巖橋破壞過程中的聲發(fā)射特性，分析聲發(fā)射事件數(shù)和能率的變化規(guī)律。陳國慶等[9]對室內小尺寸巖橋進行直接剪切試驗，并根據(jù)聲發(fā)射事件數(shù)與記錄時間的關系，對比分析了巖橋實際的破壞模式，借以反映巖石樣品內部裂縫的產生和擴展特征。

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

2 試驗設計

2.1 模型制備

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

試驗材料選用強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，倒入預制模具(內部尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)中振搗密實，節(jié)理處預先放入薄鋼片，待成型后取出鋼片，保持在溫度20 ℃，濕度65%的養(yǎng)護條件下風干。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，巖橋預留寬度b分別為50，60，70，80 mm，對應模型的節(jié)理連通率分別為0.5，0.6，0.7，0.8(見圖1)。每組5個，共20個試樣。

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)組成(見圖2)。其中加載系統(tǒng)采用YDS-3型巖石力學多功能試驗機，能簡單方便地進行預壓法向應力下的直剪試驗，且加載過程完全實行自動化，所有測量數(shù)據(jù)均由計算機自動記錄。在試驗過程中，配套軟件還可實時顯示法向、切向應力和位移的數(shù)值，并自動繪制切向應力-切向位移關系曲線。聲發(fā)射測試則使用PAC公司研制的PCI-Ⅱ聲發(fā)射信號系統(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，有利于試驗環(huán)境下去除AE設備的噪聲和采集所需要且有用的AE信號。此外，該系統(tǒng)的浮動門檻設定方式相比傳統(tǒng)的固定門檻設定方式在復雜噪聲背景下更有效。

圖2 試驗系統(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，確保試驗效果，試驗采用固定布置在試樣正反面的6個探頭組成探頭陣來采集數(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(編號為1，2，3)，背面布置3個(編號為4，5，6)。

2.4 試驗方法

試樣在0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa法向應力下分別進行直剪試驗。試驗時先施加法向荷載至預定值，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，切向位移達到10 mm即停止加載。試驗過程中計算機自動采集計算法向位移、法向應力、剪切荷載、剪切位移、剪切應力等數(shù)據(jù)。

圖4 峰值剪切應力-法向應力關系曲線Fig.4 Peak shear stress vs.normal stress

3 試驗結果

3.1 不同法向應力下相同寬度巖橋破壞特征

對比巖橋相同寬度

(巖橋寬度為50 mm)在不同法向應力條件下的試驗結果發(fā)現(xiàn)，在其它條件都相同的情況下，峰值剪切應力隨著法向應力的增加而增大(如圖4)。觀察試樣的破壞面發(fā)現(xiàn)，隨著法向應力增加，破壞面的起伏程度減小，而可見擦痕面積明顯擴大。

圖5 直剪全過程剪切應力-剪切位移曲線Fig.5 Curves of shear stress vs. displacement in the whole direct shearing process

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

3.2 同等法向應力條件下不同寬度巖橋破壞特征

對比在同等法向應力條件下不同寬度巖橋的試驗結果，分析試樣的破壞面發(fā)現(xiàn)，隨巖橋寬度的增大，破壞面更粗糙，起伏度、粗糙度都相應增大。說明巖橋的寬度將影響試樣的破壞模式，最終對巖橋破壞機理造成影響。

不同法向應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。當巖橋寬度較小時，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，甚至無初裂紋。這種模式下巖橋直接剪斷破壞，剪脹效應不明顯，巖橋破壞面較平直，粗糙度較小。

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

隨著巖橋寬度的增大，試樣趨于以拉剪復合方式破壞(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。試樣塊體內也會存在少量拉裂紋，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展并以張拉方式延伸貫通，且初始裂紋擴展的長度較長，裂紋張開度也較大，試件的整體剪脹效應更為顯著，巖橋破壞面的起伏度大、粗糙。

當巖橋寬度較大時，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 直剪試驗巖橋破壞模式Fig.7 Failure modes of rock bridge of different widths under direct shear

隨著巖橋寬度的減小和法向應力的增加，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，甚至無初裂紋，試樣破壞時剪脹效應不明顯，破壞面隨法向應力增大而趨于平直、光滑。這種現(xiàn)象有助于解釋巖質邊坡鎖固段的破壞機理[9]。

直剪條件下，巖橋寬度及其抗剪強度參數(shù)和節(jié)理面的幾何及力學特性是巖橋兩端發(fā)生初裂的控制因素，主要是拉應力集中所引起的拉破裂，它能使試樣的最終破壞強度降低。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度，即試樣最終破壞是作用于巖橋的剪切作用超過其抗剪強度所引起的剪破裂。通常，這種拉剪復合破壞出現(xiàn)的情況最多，即試樣先以張拉方式發(fā)生初裂，而后按剪切方式擴展并貫通破壞。

3.3 聲發(fā)射事件特征

結合上述對巖橋破壞特征的分析，根據(jù)直剪過程的聲發(fā)射事件特征(見圖8、圖9)，巖橋在貫通破壞過程中呈現(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程中，基本沒有聲發(fā)射事件；在試樣沿節(jié)理面錯動時，聲發(fā)射事件也很少；隨著剪切應力的增大，巖橋兩端開始發(fā)育裂紋并隨之擴展，當剪切應力在達到某一值時突然出現(xiàn)一個較小的應力降，隨后剪切應力繼續(xù)爬升的過程中，試樣內部持續(xù)出現(xiàn)小型的脆性破裂，此時聲發(fā)射事件開始持續(xù)增加；巖橋被剪斷破壞時，聲發(fā)射事件突然大量增加。

圖8 巖橋寬度為80 mm時不同法向應力下剪切過程的聲發(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 法向應力為1.4 MPa時不同寬度巖橋剪切過程的聲發(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

隨著巖橋寬度和法向應力的增加，巖橋內部積聚的能量增加，試樣抵抗直剪破壞的能力加強，且AE活動在剪切應力達到峰值后更加頻繁，聲發(fā)射事件數(shù)峰值也越大，其出現(xiàn)的時間也越晚。此時剪切面積和法向應力較大，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間更長，破壞時形成的破裂面更多。

4 結 論

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

(2) 在同等法向應力條件下，隨著巖橋寬度不斷增大，破壞面的起伏度、粗糙度相應增大。在相同巖橋寬度條件下，隨著法向應力的增加，破壞面的起伏程度和粗糙度均減小，而峰值剪切應力不斷增大。

(3) 直剪試驗中，巖橋的寬度和法向應力的大小對巖體的破壞特性影響顯著，導致巖體產生不同方式的破壞，包括剪斷破壞、拉剪復合破壞和剪切破壞。其中，隨著巖橋寬度的減小和法向應力的增加，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)峰值隨巖橋寬度和法向應力的增大而增大，其峰值出現(xiàn)時間在剪切應力達到峰值之后。

[1] 肖樹芳，楊淑碧．巖體力學[M]．北京：地質出版社，1987.

[2] 朱維申，李術才，陳衛(wèi)忠．節(jié)理巖體破壞機理和錨固效應及工程應用[M]．北京：科學出版社，2002.

[3] LAJTAI E Z. Shear Strength of Weakness Planes in Rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstract, 1969, 6(7): 499-515.

[4]SAVILAHTI T, NORDLUND E, TEPHANSSON O. Shear Box Testing and Modeling of Joint Bridge[C]∥Rock Joints: Proceedings of the International Symposium on Rock Joints. International Society for Rock Mechanics. Loen, Norway, June 4-6, 1990: 295-300.

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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

國家自然科學基金項目(41130745,41521002,41272330)；成都理工大學大學生課外科技立項項目(2014KL014)

冉 耀(1993-)，男，四川萬源人，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