應(yīng)變速率對紅砂巖破壞研究范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了應(yīng)變速率對紅砂巖破壞研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第3期
摘要:
為了探究應(yīng)變速率對節(jié)理巖體裂紋擴(kuò)展形態(tài)和貫通破壞的影響,提出室內(nèi)制作含裂隙的紅砂巖試樣,采用不同加載速率進(jìn)行單軸加載試驗(yàn),觀察裂隙起裂、貫通、破壞的全過程,并在物理試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用數(shù)值分析軟件對結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證.結(jié)果表明:隨著加載速率的增加,試樣的峰值強(qiáng)度增加,試樣發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變也有一定的增長,并且裂隙的擴(kuò)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(fā)生橫向L方向擴(kuò)展和貫通,導(dǎo)致試樣逐漸從局部破壞形式向整體破壞形勢發(fā)展.同時(shí),裂隙強(qiáng)度在單軸加載時(shí)伴隨裂隙傾角和加載速率的增加而變大,裂隙貫通強(qiáng)度對裂隙傾角變化更敏感.
關(guān)鍵詞:
巖石力學(xué);應(yīng)變速率;裂隙擴(kuò)展;破壞機(jī)制;貫通強(qiáng)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(dǎo)、試驗(yàn)分析和數(shù)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(jié)理裂隙巖石破壞特征和裂隙擴(kuò)展方式的影響取得了一定的成果[1G2].張平等[3G4]運(yùn)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(yīng)變速率下非貫通裂隙介質(zhì)的單軸抗壓強(qiáng)度特征;楊圣奇[5G6]進(jìn)行了多條預(yù)制裂隙砂巖強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展特征的試驗(yàn)研究,并總結(jié)了試樣宏觀變形特性與裂紋擴(kuò)展間的關(guān)系;蒲成志等[7]基于滑動裂紋模型理論,結(jié)合試件破壞全應(yīng)力G應(yīng)變曲線和貫通破壞面顆粒體破壞形態(tài),分析了裂隙試件斷裂破壞機(jī)理;王述紅等[8G9]提出了將確定性結(jié)構(gòu)面與隨機(jī)結(jié)構(gòu)面相結(jié)合來模擬巖體結(jié)構(gòu)面的方法,同時(shí)引入結(jié)構(gòu)面動態(tài)校核機(jī)制,建立比較精細(xì)的結(jié)構(gòu)面空間模型;劉學(xué)偉等[10]系統(tǒng)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(qiáng)度特征及失穩(wěn)模式的影響.但是目前關(guān)于加載速率對雁形結(jié)構(gòu)面裂隙擴(kuò)展形態(tài)的影響的試驗(yàn)研究仍不夠充分,且罕有關(guān)于裂隙貫通強(qiáng)度對加載速率的敏感性研究.本文在實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬了不同加載速率下節(jié)理巖體的力學(xué)行為,并重點(diǎn)討論應(yīng)變速率對紅砂巖預(yù)制裂隙貫通破壞機(jī)制影響,簡單比較了裂隙強(qiáng)度對加載速率和結(jié)構(gòu)面傾角的敏感性.
1試驗(yàn)概況
1．1試樣制備
本次試驗(yàn)用紅砂巖采自遼寧省鞍山市,巖塊宏觀結(jié)構(gòu)均勻一致.采集的紅砂巖試塊,經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(biāo)出預(yù)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(biāo)出的裂紋位置完成整個(gè)裂紋的切割,得到含預(yù)制雙裂隙的紅砂巖試樣,如圖1所示.預(yù)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(yù)制的兩條裂隙寬度w均近似為20mm.
1．2方案
本試驗(yàn)采用12個(gè)試樣,共分3組,每組4個(gè)試塊.每組內(nèi)4個(gè)試塊的裂隙傾角α分別為30°,45°,60°,75°,每組內(nèi)的4個(gè)試塊加載速率相同,不同組的試塊采用不同的加載速率進(jìn)行加載,加載速率分別為0001,0002,0003mm/s.試驗(yàn)在東北大學(xué)211工程巖土力學(xué)與地下工程實(shí)驗(yàn)中心的YAGG3000微機(jī)控制巖石剛度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.該試驗(yàn)系統(tǒng)可通過控制軸向位移的方式控制軸壓,并能自動采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),系統(tǒng)所能施加的最大軸向力為3000kN.
1．3加載方法與數(shù)據(jù)采集
試驗(yàn)程序如下:試驗(yàn)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(yàn)時(shí),首先將試樣放在巖石試驗(yàn)機(jī)中央;其次,調(diào)整試塊與加載設(shè)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(jìn)行單軸加載.本試驗(yàn)采用一次加載,當(dāng)預(yù)制裂隙貫通,試塊喪失承載能力時(shí)(此時(shí)的應(yīng)變約為09％),卸載.在加載的同時(shí),采用數(shù)碼攝像機(jī)連續(xù)拍攝結(jié)合數(shù)碼照相機(jī)瞬間抓拍的方法,對加載過程預(yù)制裂隙的起裂、貫通及破壞過程進(jìn)行記錄,并用試驗(yàn)儀器自帶的軟件采集試塊的應(yīng)力G應(yīng)變曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù).
2結(jié)果及分析
圖2為3個(gè)不同加載速率下含兩條預(yù)制裂隙的紅砂巖單軸壓縮試驗(yàn)所得的應(yīng)力G應(yīng)變曲線對比情況.不同加載速率下,含預(yù)制雙裂隙紅砂巖破壞過程相似,都是預(yù)制裂隙先發(fā)生起裂,貫通,并在外加荷載的作用下裂隙逐漸延伸,最終導(dǎo)致試塊破壞.不同加載速率下,試塊的應(yīng)力G應(yīng)變曲線變化趨勢也大致相同,均有一次明顯的應(yīng)力跌落.若只分析某一速率下的應(yīng)力G應(yīng)變曲線可知:在初始階段應(yīng)力隨應(yīng)變的增長而緩慢增加;當(dāng)應(yīng)變到達(dá)03％左右后,應(yīng)力進(jìn)入快速增長階段,且應(yīng)力隨應(yīng)變增長的速率逐漸加快;當(dāng)應(yīng)變增長至09％附近達(dá)到極值,隨后由于兩條預(yù)制裂隙接近貫通,出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象,即應(yīng)變不發(fā)生變化應(yīng)而力大幅減小;之后應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長,但此時(shí)試樣已經(jīng)失去承載能力,發(fā)生脆性破壞.
2．1加載速率對峰值強(qiáng)度的影響
由不同速率下試樣的應(yīng)力G應(yīng)變曲線對比可知,隨著加載速率變快,試件的峰值強(qiáng)度有一定增長,且加載速率越快,峰值強(qiáng)度增加得越多.在加載速率為0001mm/s時(shí),峰值強(qiáng)度為2936MPa;當(dāng)加載速率增加至0002mm/s時(shí),峰值強(qiáng)度為3486MPa,峰值強(qiáng)度的變化值為550MPa;當(dāng)加載速率增加至0003mm/s時(shí),峰值強(qiáng)度為4518MPa,峰值強(qiáng)度的變化值約為1032MPa.可見,由于加載速率的增加,裂隙的萌生,擴(kuò)展和貫通消耗的能量越多,導(dǎo)致試塊的承載力有一定的增長,峰值強(qiáng)度變大.
2．2加載速率對應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)應(yīng)變的影響
由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,加載速率越快,試件發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變值也越大.在加載速率為0001mm/s時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為084％;當(dāng)加載速率增加至0002mm/s時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為093％;當(dāng)加載速率增加至0003mm/s時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為108％.可見,加載速率的增加,使由預(yù)制裂隙貫通導(dǎo)致的應(yīng)力強(qiáng)度跌落現(xiàn)象在產(chǎn)生更大的應(yīng)變后發(fā)生.
2．3加載速率對破壞形態(tài)的影響
圖3為不同加載速率下含預(yù)制雙裂隙紅砂巖試樣破壞后的實(shí)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(yīng)變速率下的破壞形式大體相同,導(dǎo)致試樣最終破壞的主要原因是兩條預(yù)制裂隙的貫通.但是,隨著加載速率的增加,在兩條預(yù)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(dāng)單向加載速度為0001mm/s時(shí),裂隙主要從預(yù)制裂隙外端部向試件邊緣,沿著試件高度H方向擴(kuò)展,且萌生的裂隙較少;當(dāng)加載速度為0002mm/s時(shí),主要的裂隙仍是從預(yù)制裂隙外端部向試件邊緣,沿著試件高度H方向擴(kuò)展,但在上方的預(yù)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(dāng)加載速度為0003mm/s時(shí),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(kuò)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(yù)制裂隙外端萌生的兩條裂隙在試件的端部,即遠(yuǎn)離預(yù)制裂隙的位置上還有發(fā)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(yán)重,裂隙遍布范圍更廣,且試樣整體破壞形式呈現(xiàn)從局部破壞向整體破壞發(fā)展的態(tài)勢.
3數(shù)值分析
運(yùn)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(xù)雙裂隙紅砂巖在不同速率下加載的試驗(yàn).在運(yùn)用軟件模擬加載過程時(shí),首先對試樣底面施加Z方向位移約束,頂面采用不同時(shí)步進(jìn)行加載.然后,設(shè)定的試塊物理力學(xué)參數(shù)為:彈性模量328GPa,泊松比022,黏聚力為286MPa,內(nèi)摩擦角為412°,抗拉強(qiáng)度為246MPa.最后,利用ANSYS建立模型并利用其自動劃分網(wǎng)格功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)定網(wǎng)格邊長25mm,提交作業(yè),經(jīng)過軟件自帶的后處理功能,可以得到塑性區(qū)域示意圖.通過提取的單元塑性狀態(tài),可以判斷破壞模式為脆性破壞;通過模擬過程中記錄的應(yīng)力G應(yīng)變曲線,可以判斷式樣的力學(xué)特征.圖4給出了運(yùn)用FLAC3D軟件模擬單軸荷載作用下含斷續(xù)雙裂隙紅砂巖試樣破壞過程中試樣塑性區(qū)域示意圖.其中:藍(lán)色部分表示未發(fā)生塑性破壞區(qū)域,紅色部分表示拉伸塑性區(qū),其他顏色表示剪切塑性區(qū).從數(shù)值模擬所得試樣塑性區(qū)域示意圖中可以明顯看到:隨著時(shí)步的增加,單軸壓縮荷載對試樣的影響越大,塑性區(qū)范圍越廣.在較小的單軸加載速率下,塑性區(qū)主要分布在預(yù)制裂隙的周圍,且塑性區(qū)延伸范圍不是很廣,未能遍及整個(gè)試件,呈現(xiàn)一種局部破壞的形態(tài);對于較大加載速率,試樣的塑性區(qū)分布范圍逐漸從預(yù)制裂隙的周圍向試件邊緣擴(kuò)展,最終幾乎遍及整個(gè)試樣,并呈現(xiàn)一種整體破壞的形態(tài).總之,從數(shù)值模擬所得試樣塑性區(qū)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(qū)范圍越廣,說明發(fā)生貫通的裂隙越多,在預(yù)制裂隙周圍萌生的新的裂隙數(shù)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(shù)選取與實(shí)際值存在一定的差異,對于數(shù)值分析結(jié)果仍需進(jìn)一步修正和檢驗(yàn).
4加載速率對貫通強(qiáng)度影響分析
關(guān)于靜載下預(yù)制裂隙貫通強(qiáng)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(kuò)展進(jìn)行模擬.并考慮到含裂隙試樣在外載作用下,由于預(yù)制裂隙上下表面間的相互滑移而產(chǎn)生拉應(yīng)力.由于裂隙強(qiáng)度不易用試驗(yàn)方法直接測得,所以采用數(shù)碼攝像機(jī)連續(xù)拍攝結(jié)合數(shù)碼照相機(jī)瞬間抓拍的方法記錄破壞過程,結(jié)合記錄的裂隙貫通時(shí)的試樣強(qiáng)度間接反映裂隙的強(qiáng)度變化.圖5為不同裂隙傾角下結(jié)構(gòu)面貫通強(qiáng)度隨加載速率變化情況的對比.從貫通強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)從貫通強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度對裂隙傾角的敏感度強(qiáng)于其對加載速率的敏感性.
5結(jié)論
(1)不同加載速率下,含預(yù)制雙裂隙紅砂巖破壞過程大致相同,導(dǎo)致試樣最終破壞的主要原因都是兩條非共線預(yù)制裂縫的貫通,且應(yīng)力G應(yīng)變曲線均有一次明顯跌落現(xiàn)象.隨著加載速率的增加,含預(yù)制雙裂隙紅砂巖試樣的峰值強(qiáng)度增大,試件發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變也越大.
(2)靜載下裂隙強(qiáng)度會隨著裂隙傾角和加載速率的增而增加,且裂隙貫通強(qiáng)度對兩個(gè)影響因素敏感度前者強(qiáng)于后者.從最終試樣的破壞形態(tài)和數(shù)值模擬結(jié)果看來看,隨著加載速率增加,試樣萌生的裂隙數(shù)量更多,延伸的方向更多樣,單軸壓縮荷載作用產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍更大,并且完整試樣的破壞形態(tài)從局部破壞向整體破壞發(fā)展.
(3)不同應(yīng)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(jī)理更為復(fù)雜,在后續(xù)試驗(yàn)研究中另文專題討論.
參考文獻(xiàn):
[3]張平,李寧,賀若蘭,等．不同應(yīng)變速率下非貫通裂隙介質(zhì)的單軸抗壓強(qiáng)度分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(增刊1):2735G2742.
[4]張平,李寧,賀若蘭,等．動載下兩條斷續(xù)預(yù)制裂隙貫通機(jī)制研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(6):1210G1217．
[6]楊圣奇．?dāng)嗬m(xù)三裂隙砂巖強(qiáng)度破壞和裂紋擴(kuò)展特征研究[J]．巖土力學(xué),2013,34(1):31G39．
[7]蒲成志,曹平,衣永亮．單軸壓縮下預(yù)制2條貫通裂隙類巖材料斷裂行為[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,43(7):2708G2716．
[8]王述紅,穆檄江,張航,等．巖體結(jié)構(gòu)面精細(xì)化空間模型及塊體失穩(wěn)分析[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(8):1186G1189．
[9]郭牡丹,朱浮聲,王述紅,等．巖體非貫通結(jié)構(gòu)面的巖橋貫通準(zhǔn)則研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(8):1513G1518．
[10]劉學(xué)偉,劉泉聲,陳元,等．裂隙形式對巖體強(qiáng)度特征及破壞模式影響的試驗(yàn)研究[J]．巖土力學(xué),2015,36(S2):208G214．
作者:王述紅 張通 祝梓航 鄭雪梅 單位:東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室