循环加卸载作用下不同粗糙度结构面的变形破坏门槛值试验研究.docx

    循环加卸载作用下不同粗糙度结构面的变形破坏门槛值试验研究*    郑 葳 王 振 顾琳琳 李胡军 马俊男(1.南京理工大学土木工程系, 南京 210094; 2.南京理工大学机械工程学院, 南京 210094; 3.名古屋工业大学土木工程系, 名古屋 466-8555)工程岩体中存在着大量不同种类的结构面,如断层、节理、褶皱等,这些结构面的存在,造成了岩体在力学上的不连续性和各向异性,直接影响了岩体的稳定性[1]在交通、建筑、采矿和水利等不同的岩体工程中,围岩通常处于反复循环加卸载状态,如高边坡开挖加固过程、地下洞室的开挖施工及地下储气库运营期洞内气压的变化,更有爆破、水位升降、地震等循环荷载,[2-3]在这些循环荷载的长期作用下,岩石结构面可能会产生滑移或者变形,甚至造成岩体的失稳破坏[4-6]因此,研究岩石结构面在循环荷载下的变形规律具有非常重要的工程价值对于完整岩石在循环荷载作用下变形规律的研究,目前已经取得了较多的成果,葛修润团队对红砂岩、大理岩和花岗岩等多种岩样在周期性荷载下的变形特性进行了深入的研究[7-10],结果表明:岩石在发生破坏前,变形的发展可以分为初始阶段、等速阶段和加速阶段,三个阶段的变形最终导致了岩石的破坏,并且在循环荷载作用下,岩石材料存在着应力“门槛值”,当施加的荷载水平小于“门槛值”时,其变形随着应力循环次数的增加而逐渐趋于稳定,即无论经过多少次应力循环,都不会发生疲劳破坏,而对岩体施加“门槛值”以上的应力,其变形将随着循环次数的增加不断增加,最终导致疲劳破坏的发生;谢和平团队从理论上分析了用能量方法研究岩体破坏问题的合理性,指出岩石变形破坏的过程是与外界能量交换的过程;[11-12]赵闯等用三轴循环荷载试验分析了花岗岩疲劳破坏的能量特征,并且利用损伤变形和能量耗散的变化规律分析了岩石破坏的“门槛值”。

[13]由于岩石结构面的复杂性及试验和理论分析方面的局限,目前对于岩石结构面力学性质和变形特性的研究还处于探索阶段,Li等研究了循环荷载下不同裂隙岩石的动力特性,并建立了疲劳损伤模型;[14-15]Jafari等对不同类型的岩石节理进行了不同加载条件下的循环剪切试验[16-17],结果表明:节理的抗剪强度与加载速度、循环次数和应力幅值有关;刘博等采用水泥砂浆制备试样,对规则齿形岩体结构面进行了循环剪切荷载下变形研究[18],结果表明:规则齿形结构面随着剪切次数的增加,其剪胀角和剪切刚度均会降低;张雨霆等对天然结构面在法向循环加载下的变形特性进行了研究[19],结果表明:法向应力越大,循环加载次数越多,试样的残余位移量就越大以上研究表明:目前对于岩石结构面的研究大多集中于循环荷载的加载速率、循环次数和应力幅值等因素对其力学特性和变形规律的影响,而“门槛值”作为控制岩石变形破坏重要指标,针对其在岩石结构面中的变化规律和影响因素方面的研究涉及较少因此,将对具有不同粗糙度Barton曲线结构面的水泥砂浆试件,利用CSS-1950岩石双轴流变试验机进行循环剪切试验,分析不同粗糙度结构面的变形规律,并试图获得一种“门槛值”的求解方法,通过该方法对试样的“门槛值”进行求解,分析“门槛值”与岩石节理粗糙系数(JRC)及法向应力的关系,探讨JRC和法向应力对于结构面变形的影响。

1 试验仪器及试样制备1.1 试验仪器试验仪器为长春试验机研究所研制的CSS-1950岩石双轴流变试验机该试验机可以对试样施加水平荷载和竖向荷载,并同时测量试样的水平位移和竖向位移该试验机的竖直轴向最大压缩荷载为500 kN,水平轴向最大压缩荷载为300 kN试验机采用伺服控制,加压系统为丝杠加压,以加载速率来控制荷载施加,变形测量精度为0.1 m,最大量程为10 mm,连续工作时间大于1 000 h1.2 试样制备由于天然岩体的组成成分和表面形态具有随机性,采用天然岩体难以制备相对均一的试样,并且无法对试件结构面的粗糙度进行量化,从而导致试验结果难以进行对比因此,试验采用水泥砂浆制备不同粗糙度的Barton曲线结构面试样材料采用P·O32.5水泥,标准砂和水,配合比为砂∶水泥∶水为4∶2∶1,搅拌均匀后装填模具,装填完毕后,放置24 h,待水泥砂浆基本成型后拆取试样拆取后的试样放置于实验室进行洒水养护,保证温度和湿度,养护28 d后再进行试验试样的尺寸为10 cm×10 cm×10 cm,如图1a所示试验分别采用1、4、6、8、10号剖面表示不同粗糙度的结构面特征,其Barton曲线特征如图1b所示,为方便分析,结构面粗糙度取中间值,即1、4、6、8、10号剖面JRC分别取ηJRC=1、7、11、15、19。

a—试验中结构面曲线; b—浇筑后的试验样品图1 试验样品及结构面曲线示意Fig.1 Specimens and schematic diagrams of rock discontinuity curves2 试验过程2.1 单轴抗压试验为获取剪切试验的法向应力值,以0.42 kN/s的加载速率对5块完整的水泥砂浆试样进行单轴抗压试验,试验结果见表1试验得到平均抗压强度为21.73 MPa取抗压强度的10%、20%和30%作为后续剪切试验的法向应力,分别为2.17,4.35,6.52 MPa表1 各试件单轴抗压强度Table 1 Uniaxial compressive strength of each specimen2.2 岩石结构面剪切试验为获取岩石结构面的剪切强度,选取1、4、6、8、10 (ηJRC=1,7,11,15,19)号结构面,分别在2.17,4.35,6.52 MPa的法向应力作用下,以0.2 kN/s的加载速率进行剪切试验,直至破坏,得到的剪切强度作为后续循环剪切试验中剪切荷载水平的划分依据,试验数据如表2所示表2 各试件抗剪强度Table 2 Shear strength of each specimen2.3 岩石结构面循环剪切试验选取1、4、6、8、10 (ηJRC=1,7,11,15,19)号结构面,分别在2.17,4.35,6.52 MPa的法向应力作用下进行循环剪切试验,试样加载如图2所示。

先将法向应力加至预定值,待法向变形稳定后,开始施加剪切应力剪切应力分多级加载,剪切荷载起始应力为抗剪强度的30%,每级按照抗剪强度的10%递增同一级荷载下,以抗剪强度的10%作为循环幅值对试样连续进行10次循环加卸载,加载速率为0.2 kN/s,直至破坏,加载路径如图3所示,加载过程中记录试样的应力及变形试验中以Barton曲线编号和法向应力大小对试验结果进行编号,如1号结构面在2.17 MPa的法向应力下的试验结果记为“1-2.17”实际加载应力情况如表3所示a—加载装置;b—加载示意图2 试样加载Fig.2 Loading on specimens图3 试验加载路径Fig.3 Processes of test loading表3 加载应力Table 3 Loading stress MPa3 试验结果分析和讨论3.1 不同JRC结构面的变形特征以法向应力为6.52 MPa的试验结果为例,如图4所示:当剪切应力处于较低水平时,试样在循环荷载下的变形趋于稳定,但是随着荷载水平的不断提升,循环加卸载构成的应力滞回环由密集转变为稀疏,每级荷载下的循环变形总量逐渐增大图5更清楚地反映了剪切应力与结构面变形的关系:在分级加载初期,结构面的变形量随着荷载水平的提高缓慢增长,但当剪切荷载大于某个值后,循环变形量随剪切应力的提高大幅度增长。

在分级加载的过程中,结构面的剪切刚度也在不断变化,通过计算和分析各荷载水平下的剪切刚度,进一步探究结构面的变形规律,其计算式如式(1):图4 6.52 MPa法向应力作用下部分结构面位移全过程曲线Fig.4 Whole process displacement curves of some rock discontinuities under normal stress of 6.52 MPa—1-6.52; —6-6.52; —10-6.52图5 循环加载段变形增量随剪切应力的变化规律Fig.5 Variation laws of deformation increment with shear stress in cyclic loading stages(1)式中:Ks剪切刚度;Δτ为各荷载水平下循环加卸载的应力幅值;ΔS为各级荷载下的循环变形总量图6为部分结构面剪切刚度与荷载水平的关系以6-6.52为例,在应力加载初期,岩石的变形以挤压密实为主导,故从第1级荷载到第2级荷载,剪切刚度略有提高;第2级荷载到第3级荷载,剪切刚度有所下降,但变化幅度不大;第3级荷载到第7级荷载,剪切刚度的下降速率略有提高;但当荷载水平达到抗剪强度的90%之后,剪切刚度的下降速率发生突变,说明结构面在荷载等级由抗剪强度的80%提高到抗剪强度的90%的过程中就已经发生了局部破坏,在此之后应力的提升加剧了结构面的破坏,导致其抵抗剪切的能力迅速下降,也即在抗剪强度的80%到抗剪强度的90%这段应力区间内,存在着一个应力值,当荷载水平低于该值时,结构面的位移增长速率较为稳定,但当荷载水平超过这个值以后,结构面的变形量大幅度增加,抵抗外力的能力迅速下降,最终导致试样发生破坏。

—1-6.52; —6-6.52; —10-4.35; —10-6.52图6 剪切刚度与剪切荷载水平的关系Fig.6 Relations between shear stiffness and shear load levels3.2 结构面应力“门槛值”的求解方法根据葛修润的研究[7],上述影响结构面变形速率的应力值称为循环荷载下的应力“门槛值”,所谓“门槛值”,即静态全过程体积变形的最小值,它决定了岩石在循环荷载下是否会发生破坏由于荷载在未达到“门槛值”时,随着循环次数的增加,岩石变形会趋于稳定,而达到“门槛值”后,循环次数的增加会导致岩石变形的加剧,因此,可以根据在不同荷载水平下的变形值来估算岩石“门槛值”的大体位置在没有达到“门槛值”时,岩石在不同应力水平下的变形表现为与荷载水平大致成线性正相关的关系,而在达到“门槛值”后,相同的循环次数会使得岩石的变形加剧,脱离线性增长趋势,而两者的转折点所对应的水平应力即可认为是该粗糙度结构面在一定法向应力下的“门槛值”以1-6.52为例(图7):该试样共加载12级,每级荷载下的结构面位移量随荷载水平增加呈现上升趋势,前10级荷载水平下的结构面位移与荷载呈现线性正相关的关系,但当剪切应力达到4.78 MPa之后,结构面的位移量快速增加,并逐渐表现为非线性正相关关系,因此可以认为:前10个数据点所代表的应力等级均处于“门槛值”以下,从剪切应力达到4.78 MPa之后,荷载等级已经超过了“门槛值”,进而导致了结构面的位移量突增。

为了从中求出具体的“门槛值”大小,将未达到“门槛值”时的数据点进行线性拟合,同时把达到“门槛值”之后的数据点进行线性拟合,两者的交点所对应的剪切应力值即作为该结构面在该法向应力下的“门槛值”根据以上方法,对15块不同JRC值或不同法向应力作用下的试样“门槛值”进行了求解,计算结果见表4,其中“门槛值比率”为试样“门槛值”与剪切强度的比值图7 1-6.52在各荷载水平下的位移Fig.7 Displacement of specimen 1-6.52 at various load levels表4 “门槛值”求解结果Table 4 Fitting results of “threshold values”3.3 “门槛值”与JRC及法向应力的关系图8所示:在。