薄層灰?guī)r彎曲變形力學(xué)特性試驗研究

賈杰南

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司貴州分公司 貴陽 550001)

彎曲破壞通常被認(rèn)為是拉應(yīng)力引起的。在實際工程中常采用室內(nèi)巖石巴西劈裂抗拉試驗結(jié)果作為巖體的抗拉強(qiáng)度參考值,而抗彎強(qiáng)度往往高于抗拉強(qiáng)度,采用抗拉強(qiáng)度值偏于保守,未充分利用層狀巖體抗彎強(qiáng)度,造成工程費(fèi)用提高。另外,巖體彎曲破壞裂紋擴(kuò)展路徑受層理面產(chǎn)狀及厚度的影響常表現(xiàn)出隨機(jī)性。因此有必要開展薄層巖體的彎曲變形特性的相關(guān)研究。

對于層狀巖體彎曲變形的研究,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索。張會仙等[1]建立三點(diǎn)彎曲作用下灰?guī)r的損傷本構(gòu)方程,構(gòu)建了反傾層狀巖體彎曲破壞模式下的破壞判據(jù)及數(shù)值實現(xiàn)。蔡俊超[2]提出柔性彎曲型傾倒破壞的全過程變形曲線,并建立了變形全過程的階段性力學(xué)判據(jù)和針對性的穩(wěn)定性評價方法。趙龍輝等[3]進(jìn)行不同層間黏結(jié)強(qiáng)度下水平層狀巖體彎曲破壞試驗研究,獲得了不同層間黏結(jié)強(qiáng)度條件下巖體的受彎力學(xué)行為。楊志良等[4]開展不同加載速率下預(yù)制裂紋且中間層是弱層理的三層混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗,獲取了不同加載下裂紋在含弱層理三層巖體中的擴(kuò)展特征。梁風(fēng)等[5]基于彎曲模式揭示了層狀采空區(qū)反傾斜坡變形破壞機(jī)理。林志劍[6]進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲條件下層狀砂巖的力學(xué)特性及裂紋擴(kuò)展特征研究。國內(nèi)外學(xué)者的研究成果多集中于層狀巖體彎曲變形本構(gòu)關(guān)系和彎曲破壞判據(jù)方面,而在彎曲變形特性方面研究較少。另外,結(jié)合聲發(fā)射新技術(shù)監(jiān)測巖石受彎條件下裂紋出現(xiàn)和擴(kuò)展過程方面的成果更為有限。

本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上,擬通過對薄層灰?guī)r進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗,研究薄層灰?guī)r的彎曲變形力學(xué)特性和彎曲變形特性,采用聲發(fā)射定位技術(shù),獲取試驗加載過程中的聲發(fā)射參數(shù)信號,以期了解工程中賦存薄層灰?guī)r巖體的破壞機(jī)理及預(yù)防方法。

1 試驗方法

試驗巖樣取自三疊系下統(tǒng)夜郎組,巖性為灰色中風(fēng)化薄層灰?guī)r,層理面發(fā)育,近于水平狀,結(jié)構(gòu)面間距5～10 mm。將灰?guī)r巖樣加工成3組不同尺寸的長方體,分別為60 cm×10 cm×10 cm、48 cm×8 cm×8 cm、36 cm×6 cm×6 cm,每組的試件編號為1～6。

利用三點(diǎn)彎曲方法分別對3組同一跨高比不同尺寸的薄層灰?guī)r長方體試樣進(jìn)行試驗。試驗選用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)對試件進(jìn)行加載,加載速率為0.5 MPa/min;采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀記錄加載過程中巖樣的累積應(yīng)變,將6個電阻應(yīng)變片分別沿平行巖樣長度方向固定于邊側(cè)及底部,采集巖樣受荷作用下底部和試件不同高度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);結(jié)合PCI-2型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)獲取試驗過程中振鈴計數(shù)、能量計數(shù)等參數(shù)信息,三點(diǎn)彎曲試驗示意圖見圖1。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗示意圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 力學(xué)特征

2.1.1荷載位移曲線

圖2為3組巖樣彎曲的荷載-位移曲線。3組試驗巖樣的荷載-位移曲線可分為線性和非線性兩類。

圖2 巖樣荷載-位移曲線

圖2a)中試件4、5和6,b)中試件4、5和6,c)中試件1、4和6的試驗曲線可以歸類為非線性曲線,曲線呈上凹形,曲線前半部分曲線斜率小,后半段斜率大,位移隨荷載變化的速度先慢后快,造成荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯差異性的原因主要是三點(diǎn)彎曲試件在剛開始受載時其上部受壓,上部巖層原有層面裂隙被壓密,層面填充物顆粒被壓縮,此時試件處于微裂隙壓密階段。后半段曲線上凹斜率增大,位移增長速度小于荷載增長速度,說明試件有裂紋產(chǎn)生,并且裂紋擴(kuò)展速度較為一致。此階段的曲線可以理解為試件處于裂紋擴(kuò)展階段。試件在后半段達(dá)到峰值發(fā)生破壞,破壞點(diǎn)曲線垂直下降,反映了灰?guī)r的脆性破壞。

圖2中其他試件的荷載-位移曲線整體呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,未表現(xiàn)出荷載隨位移增長速度不一的特點(diǎn),曲線峰值試件破壞,荷載急劇跌落。此類曲線的線性特征反映了薄層灰?guī)r的層理面膠結(jié)密實程度,層理面膠結(jié)地越密實,結(jié)構(gòu)面間距越小,試件在受壓時微裂隙壓密階段的變形就越小,由于壓密階段的層理面的壓縮變形增長速度近似于裂紋形成階段的擴(kuò)展速度,曲線才表現(xiàn)為線性特征。因此,結(jié)合試件的非線性曲線特點(diǎn),按試件荷載位移曲線特征劃分,薄層灰?guī)r彎曲變形破壞可劃分為微裂隙壓密階段和裂紋擴(kuò)展階段。

荷載-位移曲線反映了彎曲試件高度方向位移隨施加荷載的變化關(guān)系,縱向位移的最大值對應(yīng)了試件最大的彎曲撓度。各組彎曲巖樣縱向位移值在0.3～1.4 mm之間,平均位移值集中在0.7 mm水平,變形較小,可知試樣的彎曲剛度大。

2.1.2沿試件高度分布的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件不同高度的應(yīng)變值由靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集側(cè)邊和底部黏貼的應(yīng)變片測量值得到,應(yīng)力可根據(jù)簡支梁彎曲公式進(jìn)行換算。由應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)可得試件沿不同高度分布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,圖3為A組試樣3、4、5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。各試件的應(yīng)變片1～5所測應(yīng)變的絕對值大體都遵循由大變小再變大這一規(guī)律,巖樣的最上層和最底部變形最大,中間變形相對減小,即巖樣最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變發(fā)生在巖樣的最外層,巖樣最先破壞往往從最外層開始。試件3、4、5中1、6應(yīng)變片的應(yīng)變值都大于應(yīng)變片5,這就說明巖石受彎時的最大拉應(yīng)變往往大于其最大壓應(yīng)變,因此巖石受彎作用下其底部最先發(fā)生拉伸斷裂。

圖3 沿高度分布應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在彎曲過程中,巖樣上部產(chǎn)生壓應(yīng)變,下部產(chǎn)生拉應(yīng)變,則中間必有一層應(yīng)變值為0,稱為應(yīng)變中性層。理論而言,當(dāng)彎曲變形程度較小時,應(yīng)變中性層與截面對稱軸重合,但隨著荷載的增加及變形程度的加大,應(yīng)變中性層會發(fā)生遷移。由圖3可見,位于試件高度中間部位的應(yīng)變片3表現(xiàn)為拉應(yīng)變,而應(yīng)變片4表現(xiàn)為壓應(yīng)變,說明巖樣的應(yīng)變中性層并不位于巖樣高度的中間部位,而是位于對稱軸靠上部位。這是因為試件彎曲過程中,應(yīng)變中性層以上的區(qū)域受壓,以下的區(qū)域受拉,而巖石的抗壓強(qiáng)度大于其抗拉強(qiáng)度,中性層向受壓一側(cè)移動造成的。

2.2 變形特征

2.2.1試件破壞形態(tài)

試樣在達(dá)到破壞臨界點(diǎn)前無明顯的破壞前兆。采用高速攝像機(jī)捕捉試樣破壞過程,在試件達(dá)到峰值破壞時的形態(tài)呈現(xiàn)裂縫擴(kuò)展貫通斷裂破壞和裂縫擴(kuò)展不貫通無斷裂破壞2類形式。圖4為2類形態(tài)代表試件B組試件1和試件2破壞時的形態(tài)圖。

圖4 試件破壞形態(tài)

如圖4所示,試件2在中底部偏左2 cm位置出現(xiàn)1條向上延伸擴(kuò)展的裂縫,裂縫此時還未完全貫通。極短時間后裂縫向上貫通試件彎曲斷裂,最終破壞形態(tài)見圖4b)。圖4c)和d)為試件1開始破壞的起裂圖和最終破壞裂縫形態(tài)圖,裂縫自中心線偏右2 cm位置起裂并向上擴(kuò)展,壓力機(jī)加載停止時,裂紋并未完全貫通、試件未斷裂。

2.2.2裂紋擴(kuò)展方式

3組巖樣在壓力機(jī)加載條件下裂紋擴(kuò)展路徑大體可歸為3類:①裂紋路徑與層理面正交,裂紋并沒有沿層理面擴(kuò)展而是直接穿越層理面;②裂紋路徑與層理面平行,裂紋在層理面處沿層理面先擴(kuò)展一段距離后再垂直層理面擴(kuò)展,該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處層理面膠結(jié)狀態(tài)由弱轉(zhuǎn)強(qiáng);③裂紋路徑與層理面斜交,斜交角度10°～30°。

薄層灰?guī)r在受彎條件下的裂紋擴(kuò)展方式受層理面的膠結(jié)強(qiáng)度與巖塊強(qiáng)度之間的相對關(guān)系影響。這一結(jié)論對近于水平狀的臨空層狀巖體的斷裂破壞具有重要啟示,若層狀巖體層理面膠結(jié)密實,層面抗剪力高于一定水平巖層的自重應(yīng)力時,在自重應(yīng)力下巖塊先起裂,裂紋擴(kuò)展至層理面時便不會平行層理面擴(kuò)展,即巖體不會發(fā)生局部巖層垮塌;若層理面抗剪力小于巖層自重或小于巖塊抗剪強(qiáng)度,巖層裂紋擴(kuò)展路徑可能會沿平行層理面方向擴(kuò)展,導(dǎo)致圍巖發(fā)生巖層剝落。

2.3 聲發(fā)射參數(shù)特征

2.3.1AE累計振鈴計數(shù)與應(yīng)力關(guān)系

聲發(fā)射信號可以監(jiān)測出巖石受力變形破壞過程中產(chǎn)生的聲源特性,其中振鈴計數(shù)能反映聲發(fā)射的信號強(qiáng)度和頻度。圖5為3組巖石試件中具有代表性的累計振鈴計數(shù)與其同時刻相應(yīng)的應(yīng)力水平的關(guān)聯(lián)曲線。由于試件底部最先受拉破壞,底部時間應(yīng)力曲線最能反映試件破壞力學(xué)特征,因此圖中的應(yīng)力代表試件底部位置的應(yīng)力。

圖5 累計振鈴計數(shù)-時間-應(yīng)力關(guān)聯(lián)曲線

如圖5所示,在3組巖樣的整個變形破壞階段中,聲發(fā)射活動特征不同。A組試件6在臨界破壞前累計振鈴計數(shù)保持不變,聲發(fā)射活動性低,直到巖石破壞時AE活動性突然發(fā)生,反映出試件材料的均質(zhì)性較好,內(nèi)部幾乎沒有或稍有裂隙存在,主破壞前試件內(nèi)部沒有漸進(jìn)性的小破壞。B組試件2和C組試件5的累計振鈴計數(shù)曲線隨時間發(fā)生躍階,反映出試件在主破壞到來前有漸進(jìn)性破壞,這種破壞是由于試件受力局部裂隙產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。B組試件2和C組試件5在不同的彎曲變形破壞階段其聲發(fā)射活動性特征不同:①巖樣加載初期,聲發(fā)射活動趨于平靜,此階段正處于微裂隙壓密階段,局部裂紋面出現(xiàn)滑移,產(chǎn)生的能量較小,釋放的聲發(fā)射信號幅度未超過振鈴門檻,因此振鈴計數(shù)少;②裂紋形成階段,局部巖石內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到臨界值,開始發(fā)生破壞,巖樣聲發(fā)射信號主要由裂紋成核、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展等產(chǎn)生,產(chǎn)生的聲發(fā)射多為突發(fā)型,聲發(fā)射振鈴計數(shù)出現(xiàn)明顯的峰值,累計振鈴計數(shù)產(chǎn)生明顯躍階;③裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,巖石內(nèi)部應(yīng)力水平快速臨近峰值,早期出現(xiàn)的微裂紋快速擴(kuò)展并伴隨新裂紋快速生成,聲發(fā)射活動也隨之活躍,累計振鈴計數(shù)再躍級一個臺階;④巖石破壞階段,巖石單元內(nèi)部應(yīng)力水平越過峰值,之前產(chǎn)生的微裂紋擴(kuò)展貫通形成肉眼可見的裂縫,這一過程有大量能量釋放,產(chǎn)生大量彈性波,聲發(fā)射活動急劇增多,振鈴計數(shù)達(dá)到最高峰值。

2.3.2AE累計能量與應(yīng)變關(guān)系

能量狀態(tài)與應(yīng)變增長息息相關(guān)。圖6為B組試件2和C組試件5的AE累計能量與應(yīng)變的試驗曲線和擬合關(guān)系曲線。通過觀察試驗曲線可知,在一定應(yīng)變增長范圍內(nèi),薄層灰?guī)r的聲發(fā)射活動不明顯,AE累計能量為0,隨著加載的進(jìn)行,巖石內(nèi)部微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,聲發(fā)射活動逐步增加,AE累計能量隨應(yīng)變的增加有所增大,繼續(xù)加載至巖石失穩(wěn)破壞,巖石快速卸載,此時聲發(fā)射累計能量急劇增加,達(dá)到最大。

圖6 AE累計能量-應(yīng)變試驗曲線和擬合曲線

如圖6所示,試驗數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)三大特征:①能量應(yīng)變曲線呈現(xiàn)階梯式躍階,如B組試件2能量在應(yīng)變?yōu)?00×10-6時上升到1 000臺階水平,C組試件5曲線呈現(xiàn)2級臺階形狀,第一次臺階起點(diǎn)對應(yīng)于應(yīng)變值為225×10-6位置,第二次臺階起點(diǎn)對應(yīng)于應(yīng)變值為350×10-6位置;②能量應(yīng)變曲線最后階段總會出現(xiàn)一長段近似直線或者直線式形狀,這代表著能量在極短時間內(nèi)的急劇增加,反映了巖石破壞時內(nèi)部能量釋放的速度和大小;③能量應(yīng)變曲線最后部分的直線段總是在最大應(yīng)變值的前面出現(xiàn),如B組試件2,直線段出現(xiàn)后應(yīng)變值繼續(xù)增加了小部分。這一特征反映了巖石破壞聲發(fā)射能量的釋放總是先于巖石宏觀破壞。擬合能量應(yīng)變試驗曲線,得知聲發(fā)射能量與應(yīng)變呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這也驗證了試件在臨近極限應(yīng)變時能量呈冪律的加速釋放過程。根據(jù)試驗曲線能量直線段與應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系,可探討將應(yīng)變值作為巖石破壞的前兆判據(jù)。

3 結(jié)論

通過在三點(diǎn)彎曲試驗條件下,對薄層灰?guī)r試樣彎曲破壞過程的裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其聲發(fā)射參數(shù)信號變化特征試驗研究,可得到以下結(jié)論。

1) 薄層灰?guī)r彎曲受力時試件內(nèi)部彎曲應(yīng)力呈線性分布,具有上壓下拉的特點(diǎn),彎曲破壞呈現(xiàn)彈脆性特征。巖樣的應(yīng)變中性層位于試件中心對稱軸靠上部位,偏向受壓側(cè)。

2) 薄層灰?guī)r彎曲破壞裂紋起裂點(diǎn)大多始于試件底部中心受拉區(qū)域,其擴(kuò)展路徑取決于巖塊強(qiáng)度和層面抗剪強(qiáng)度相對大小關(guān)系,有垂直、平行、斜交層理面3種路徑。

3) 聲發(fā)射振鈴計數(shù)可監(jiān)測出巖樣受荷后內(nèi)部應(yīng)力水平反應(yīng),隨荷載的增加巖樣內(nèi)部應(yīng)力逐步集中。試件在破壞時能量釋放的速率相當(dāng)快,呈現(xiàn)出明顯的加速釋放過程,此現(xiàn)象可作為一種巖石破壞的前兆現(xiàn)象。