应变速率对红砂岩破坏研究范文

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《解放军理工大学学报》2016年第3期

摘要:

为了探究应变速率对节理岩体裂纹扩展形态和贯通破坏的影响,提出室内制作含裂隙的红砂岩试样,采用不同加载速率进行单轴加载试验,观察裂隙起裂、贯通、破坏的全过程,并在物理试验基础上利用数值分析软件对结果进行分析和验证.结果表明:随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长,并且裂隙的扩展方式也不局限于沿着试件高度H方向开展,而有部分裂隙发生横向L方向扩展和贯通,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展.同时,裂隙强度在单轴加载时伴随裂隙倾角和加载速率的增加而变大,裂隙贯通强度对裂隙倾角变化更敏感.

关键词:

岩石力学;应变速率;裂隙扩展;破坏机制;贯通强度

由于山体、边坡等的破坏往往造成重大的工程安全事故,通过理论推导、试验分析和数值模拟等方法,探究裂隙分布形式、岩桥倾角和裂隙间距等因素对节理裂隙岩石破坏特征和裂隙扩展方式的影响取得了一定的成果[1G2].张平等[3G4]运用滑移型裂纹模型模,采用裂纹密度的方法考虑多裂隙的相互作用,分析了不同应变速率下非贯通裂隙介质的单轴抗压强度特征;杨圣奇[5G6]进行了多条预制裂隙砂岩强度和裂纹扩展特征的试验研究,并总结了试样宏观变形特性与裂纹扩展间的关系;蒲成志等[7]基于滑动裂纹模型理论,结合试件破坏全应力G应变曲线和贯通破坏面颗粒体破坏形态,分析了裂隙试件断裂破坏机理;王述红等[8G9]提出了将确定性结构面与随机结构面相结合来模拟岩体结构面的方法,同时引入结构面动态校核机制,建立比较精细的结构面空间模型;刘学伟等[10]系统地研究了T形、X形交叉裂隙等多种裂隙分布形式对岩体强度特征及失稳模式的影响.但是目前关于加载速率对雁形结构面裂隙扩展形态的影响的试验研究仍不够充分,且罕有关于裂隙贯通强度对加载速率的敏感性研究.本文在实验室模型试验基础上,数值模拟了不同加载速率下节理岩体的力学行为,并重点讨论应变速率对红砂岩预制裂隙贯通破坏机制影响,简单比较了裂隙强度对加载速率和结构面倾角的敏感性.

1试验概况

1．1试样制备

本次试验用红砂岩采自辽宁省鞍山市,岩块宏观结构均匀一致.采集的红砂岩试块,经实验室精加工,制备成完整的红砂岩长方体岩样.试样的尺寸为:宽度L×高度H×厚度W＝100mm×200mm×30mm.在完整长方体岩样上标出预制裂纹的位置,然后用高压水枪在裂纹的端部冲孔,冲孔完成后沿标出的裂纹位置完成整个裂纹的切割,得到含预制双裂隙的红砂岩试样,如图1所示.预制的裂隙长度均为d＝18mm,裂隙倾角为α,裂隙之间的岩桥长度和岩桥倾角分别为d＝18mm和β＝60°,预制的两条裂隙宽度w均近似为2􀆰0mm.

1．2方案

本试验采用12个试样,共分3组,每组4个试块.每组内4个试块的裂隙倾角α分别为30°,45°,60°,75°,每组内的4个试块加载速率相同,不同组的试块采用不同的加载速率进行加载,加载速率分别为0􀆰001,0􀆰002,0􀆰003mm/s.试验在东北大学211工程岩土力学与地下工程实验中心的YAGG3000微机控制岩石刚度试验机上进行.该试验系统可通过控制轴向位移的方式控制轴压,并能自动采集实验数据,系统所能施加的最大轴向力为3000kN.

1．3加载方法与数据采集

试验程序如下:试验前,在试样上下端部均匀涂抹一层凡士林,以减少端部摩擦.试验时,首先将试样放在岩石试验机中央;其次,调整试块与加载设备间距至合适位置;然后,采用控制轴向位移的方式,对试件进行单轴加载.本试验采用一次加载,当预制裂隙贯通,试块丧失承载能力时(此时的应变约为0􀆰9％),卸载.在加载的同时,采用数码摄像机连续拍摄结合数码照相机瞬间抓拍的方法,对加载过程预制裂隙的起裂、贯通及破坏过程进行记录,并用试验仪器自带的软件采集试块的应力G应变曲线等试验数据.

2结果及分析

图2为3个不同加载速率下含两条预制裂隙的红砂岩单轴压缩试验所得的应力G应变曲线对比情况.不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程相似,都是预制裂隙先发生起裂,贯通,并在外加荷载的作用下裂隙逐渐延伸,最终导致试块破坏.不同加载速率下,试块的应力G应变曲线变化趋势也大致相同,均有一次明显的应力跌落.若只分析某一速率下的应力G应变曲线可知:在初始阶段应力随应变的增长而缓慢增加;当应变到达0􀆰3％左右后,应力进入快速增长阶段,且应力随应变增长的速率逐渐加快;当应变增长至0􀆰9％附近达到极值,随后由于两条预制裂隙接近贯通,出现应力跌落现象,即应变不发生变化应而力大幅减小;之后应力随应变缓慢增长,但此时试样已经失去承载能力,发生脆性破坏.

2．1加载速率对峰值强度的影响

由不同速率下试样的应力G应变曲线对比可知,随着加载速率变快,试件的峰值强度有一定增长,且加载速率越快,峰值强度增加得越多.在加载速率为0􀆰001mm/s时,峰值强度为29􀆰36MPa;当加载速率增加至0􀆰002mm/s时,峰值强度为34􀆰86MPa,峰值强度的变化值为5􀆰50MPa;当加载速率增加至0􀆰003mm/s时,峰值强度为45􀆰18MPa,峰值强度的变化值约为10􀆰32MPa.可见,由于加载速率的增加,裂隙的萌生,扩展和贯通消耗的能量越多,导致试块的承载力有一定的增长,峰值强度变大.

2．2加载速率对应力强度跌落时应变的影响

由试验数据可知,加载速率越快,试件发生应力强度跌落时对应的应变值也越大.在加载速率为0􀆰001mm/s时,应力强度跌落时的应变值为0􀆰84％;当加载速率增加至0􀆰002mm/s时,应力强度跌落时的应变值为0􀆰93％;当加载速率增加至0􀆰003mm/s时,应力强度跌落时的应变值为1􀆰08％.可见,加载速率的增加,使由预制裂隙贯通导致的应力强度跌落现象在产生更大的应变后发生.

2．3加载速率对破坏形态的影响

图3为不同加载速率下含预制双裂隙红砂岩试样破坏后的实物图,其中,图3(a~c)的裂隙倾角为45°,图3(d~f)的裂隙倾角为60°.从图中可以看出,不同应变速率下的破坏形式大体相同,导致试样最终破坏的主要原因是两条预制裂隙的贯通.但是,随着加载速率的增加,在两条预制裂隙外端会萌生更多裂隙,且裂隙延伸的方向和距离有一定的差异.从裂缝延伸和分布情况看,当单向加载速度为0􀆰001mm/s时,裂隙主要从预制裂隙外端部向试件边缘,沿着试件高度H方向扩展,且萌生的裂隙较少;当加载速度为0􀆰002mm/s时,主要的裂隙仍是从预制裂隙外端部向试件边缘,沿着试件高度H方向扩展,但在上方的预制裂隙两端各萌生出一条新的裂隙,并且其中一条裂隙有沿着试件宽度L方向,即横向延伸的趋势;当加载速度为0􀆰003mm/s时,在两条一直裂隙的外端各萌生出两条新的裂隙,且裂隙的延伸不再局限于沿着试件高度H方向扩展,部分裂隙沿着试件宽度L方向延伸的趋势更加明显.对于从上方预制裂隙外端萌生的两条裂隙在试件的端部,即远离预制裂隙的位置上还有发生横向贯通的趋向.所以,随着加载速率的增加,试样破坏得更严重,裂隙遍布范围更广,且试样整体破坏形式呈现从局部破坏向整体破坏发展的态势.

3数值分析

运用FLAC3D软件,通过建立模型、定义荷载、边界条件等步骤,模拟含有断续双裂隙红砂岩在不同速率下加载的试验.在运用软件模拟加载过程时,首先对试样底面施加Z方向位移约束,顶面采用不同时步进行加载.然后,设定的试块物理力学参数为:弹性模量32􀆰8GPa,泊松比0􀆰22,黏聚力为28􀆰6MPa,内摩擦角为41􀆰2°,抗拉强度为2􀆰46MPa.最后,利用ANSYS建立模型并利用其自动划分网格功能进行网格划分,设定网格边长2􀆰5mm,提交作业,经过软件自带的后处理功能,可以得到塑性区域示意图.通过提取的单元塑性状态,可以判断破坏模式为脆性破坏;通过模拟过程中记录的应力G应变曲线,可以判断式样的力学特征.图4给出了运用FLAC3D软件模拟单轴荷载作用下含断续双裂隙红砂岩试样破坏过程中试样塑性区域示意图.其中:蓝色部分表示未发生塑性破坏区域,红色部分表示拉伸塑性区,其他颜色表示剪切塑性区.从数值模拟所得试样塑性区域示意图中可以明显看到:随着时步的增加,单轴压缩荷载对试样的影响越大,塑性区范围越广.在较小的单轴加载速率下,塑性区主要分布在预制裂隙的周围,且塑性区延伸范围不是很广,未能遍及整个试件,呈现一种局部破坏的形态;对于较大加载速率,试样的塑性区分布范围逐渐从预制裂隙的周围向试件边缘扩展,最终几乎遍及整个试样,并呈现一种整体破坏的形态.总之,从数值模拟所得试样塑性区域示意图中可以明显看到:随着加载速率的增加,单轴压缩荷载对试样的影响越大,塑性区范围越广,说明发生贯通的裂隙越多,在预制裂隙周围萌生的新的裂隙数量也随着加载速率的增大而有所增长.但由于初始边界条件等参数选取与实际值存在一定的差异,对于数值分析结果仍需进一步修正和检验.

4加载速率对贯通强度影响分析

关于静载下预制裂隙贯通强度的分析,目前大多采用滑移型裂纹模型对裂纹的萌生和扩展进行模拟.并考虑到含裂隙试样在外载作用下,由于预制裂隙上下表面间的相互滑移而产生拉应力.由于裂隙强度不易用试验方法直接测得,所以采用数码摄像机连续拍摄结合数码照相机瞬间抓拍的方法记录破坏过程,结合记录的裂隙贯通时的试样强度间接反映裂隙的强度变化.图5为不同裂隙倾角下结构面贯通强度随加载速率变化情况的对比.从贯通强度随裂隙倾角的变化情况可以看出,随着裂隙倾角的增加,贯通强度也逐渐增加,且增加的速率也逐渐加快.这说明裂隙倾角的增加在一定程度上提高了含裂隙试样的承载能力,裂隙倾角的增大对裂隙间岩体起到了一定的“套箍作用”,并且这种作用随着裂隙倾角的增加而逐渐加强从贯通强度随加载速率的变化情况可以看出,随着加载速率的增加,贯通强度也随之增加,但这种作用没有裂隙倾角的作用明显.即裂隙贯通强度对裂隙倾角的敏感度强于其对加载速率的敏感性.

5结论

(1)不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同,导致试样最终破坏的主要原因都是两条非共线预制裂缝的贯通,且应力G应变曲线均有一次明显跌落现象.随着加载速率的增加,含预制双裂隙红砂岩试样的峰值强度增大,试件发生应力强度跌落时对应的应变也越大.

(2)静载下裂隙强度会随着裂隙倾角和加载速率的增而增加,且裂隙贯通强度对两个影响因素敏感度前者强于后者.从最终试样的破坏形态和数值模拟结果看来看,随着加载速率增加,试样萌生的裂隙数量更多,延伸的方向更多样,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围更大,并且完整试样的破坏形态从局部破坏向整体破坏发展.

(3)不同应变速率对裂隙岩体特性影响因素众多,特别是在动载荷作用下,裂隙岩体破坏机理更为复杂,在后续试验研究中另文专题讨论.

参考文献:

[3]张平,李宁,贺若兰,等．不同应变速率下非贯通裂隙介质的单轴抗压强度分析[J]．岩石力学与工程学报,2007,26(增刊1):2735G2742.

[4]张平,李宁,贺若兰,等．动载下两条断续预制裂隙贯通机制研究[J]．岩石力学与工程学报,2006,25(6):1210G1217．

[6]杨圣奇．断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究[J]．岩土力学,2013,34(1):31G39．

[7]蒲成志,曹平,衣永亮．单轴压缩下预制2条贯通裂隙类岩材料断裂行为[J]．中南大学学报(自然科学版),2012,43(7):2708G2716．

[8]王述红,穆檄江,张航,等．岩体结构面精细化空间模型及块体失稳分析[J]．东北大学学报(自然科学版),2012,33(8):1186G1189．

[9]郭牡丹,朱浮声,王述红,等．岩体非贯通结构面的岩桥贯通准则研究[J]．岩土工程学报,2013,35(8):1513G1518．

[10]刘学伟,刘泉声,陈元,等．裂隙形式对岩体强度特征及破坏模式影响的试验研究[J]．岩土力学,2015,36(S2):208G214．

作者:王述红 张通 祝梓航 郑雪梅 单位:东北大学资源与土木工程学院 辽宁省环境岩土工程重点实验室