不同层间黏结强度下水平层状岩体弯曲破坏试验研究_赵龙辉.pdf

书书书2023.No.3四 川 水 利研究与综述不同层间黏结强度下水平层状岩体弯曲破坏试验研究赵龙辉1，赵 净2，张 威1(1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳，550002;2.贵州水利水电职业技术学院，贵阳，551416)【摘要】为研究不同层间黏结强度下的水平层状岩体受弯过程中的力学特性、破坏形态及声发射规律，文章以相似材料制备 5 种不同层间黏结强度的层理岩梁试件，并借助 WAW1000kN 型微机控制电液伺服万能试验机和 PCI2 型声发射测试分析系统，进行了室内三点弯曲试验，分析试件在受弯过程中的力学行为。研究结果表明:(1)层间黏结强度越高，岩体弯曲破坏时的起裂荷载 P0越大，峰值荷载 Pt越小;(2)层理面对裂纹的扩展具有抑制作用，且层间黏结强度越低，抑制效果越明显，层间黏结强度从高到低时，裂纹形态由“直线状”向“阶梯状”过渡;(3)AE 振铃计数在快达到峰值荷载时大量涌现，并以簇状群发的形式出现，层间黏结强度越高，岩体到达最大 AE 振铃计数的时间越晚;(4)当层理面黏聚力 C 增大时，KAISE 效应点荷载 P0增加明显，初始损伤的条件更高，所需累积应变能越大，岩体达到初始损伤的时间也更晚;(5)层间黏结强度低的岩体弯曲破坏相对前兆时间 TP更短，从开始损伤到破坏的相对前兆时长 TP最大差距可达 4.6%，破坏时的突发性更强。这对地下工程灾害风险判断、施工过程监控和实时预警的研究有一定参考价值。【关键词】层间黏结强度三点弯曲相似材料声发射时间效应中图分类号:TU452文献标志码:A文章编号:20951809(2023)030001070引言层状岩体在我国的分布范围较广，是工程施工中常遇见的岩体结构，在矿山开采、洞室开挖、边坡稳定性分析及页岩气开采等领域中均涉及到相关的岩体力学问题1。在漫长的沉积作用过程中，因其在时间和空间上的多样性，赋予了其工程地质体的复杂性，导致层状岩体的力学性质同时受到层面倾角、岩层厚度、结构面组合、原岩力学参数和层间黏结强度等因素共同控制2。在隧道开挖过程中，顶板岩梁受上部荷载作用，易发生弯曲破坏，层间黏结强度的差异使得其在受力特性、破坏形态和破坏时间效应等方面有所差异。如层间黏结强度差的岩体在开挖后可能只会出现局部弯曲变形，层间黏结强度差的岩体在开挖后可能直接出现离层、弯折，甚至局部坍塌。因此，揭露层状岩体因层间黏结强度差异对其弯曲变形破坏的影响，可为隧道的稳定性分析及施工建设绿色、安全、高效地开展提供重要指导意义。此外，也有学者提出岩层厚度、层面倾角等方面均对层状岩体的弯曲性能存在一定影响。李斌等3 探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性关系;王燚钊等4 通过数值模拟，得出岩体裂纹的扩展与单层厚度有关;陈从新等5 在地质力学模型试验的基础上，得出岩层倾角对顺层边坡稳定性的影响规律;Ding et al.6 研究了三点弯曲条件下层状盐岩的破坏机理;衡帅等7 通过对天然页岩进行三点弯曲试验，得出裂缝在沿层理面扩展的过程中，会出现向天然弱面扩展的现象，形成复杂的裂缝网。通过众多文献 89发现，当前国内外众多1赵龙辉，赵 净，张 威:不同层间黏结强度下水平层状岩体弯曲破坏试验研究2023.No.3学者对于层理面的研究主要在于层理面的倾角、岩层厚度和加载速率等方面。然而，层间黏结强度作为层状岩体一个重要的强度衡量指标，却鲜有学者通过开展试验进行深入研究。鉴于此，本文将以相似材料制备类岩石试件，在三点弯曲试验条件下，得到不同层间黏结强度的岩体所表现出的受力特性、破坏形态和声发射规律，为后续顶板危险性评判及预警提供参考。1试验概况为获得不同层间黏结强度下的水平层状岩体，据前人的研究1011，基于相似理论，可考虑按一定材料配比模拟岩块，使用云母粉模拟层理弱面，并通过控制云母粉的用量以达到控制层间粘结强度的目的。制备 5 组尺寸为 500mm100mm100mm 的试样(如图 1 所示)，进行三点弯曲试验。试样以石灰岩为原型，层理面水平，间距为25mm，试样共浇筑 4 层。从工况到工况层间黏结强度依次降低，试件编号依次为 W1、W2、W3、W4 和 W5。图 1层理试样三点弯曲试验加载设备采用 WAW200kN型微机控制电液伺服万能试验机，声发射监测设备采用 PCI2 型声发射系统。试验设备系统如图 2，试验加载示意图及数据监测布置如图 3，试验具体流程如下:(1)将模具内的试件静置 7d，初凝后进行脱模，然后将预制的试件置于混凝土养护箱中恒温养护 28d;(2)取出试件，用橡皮圈将 4 个声发射探头固定于岩样前部及上部，并用真空硅脂耦合岩样与探头接触位置;(3)检查声发射探头与仪器连接工作情况，并进行加载和声发射参数设置(恒定加载速率0.001mm/s，声发射检测门槛值 45dB);(4)在岩样与加压试验机紧密接触后，按已设置好的加载速率进行加载，同时进行声发射数据采集工作，记录试验过程至岩样破坏，导出试验数据。图 2试验设备系统图 3三点弯曲加载及监测图2试验结果分析2.12.1力学特性力学特性采集整个试验过程荷载和位移的数据，如图4 所示。从整体上来说，5 种工况下，荷载位移曲线都表现出相似的变化趋势，大致可分为裂隙压密阶段、稳定破裂阶段、强度丧失阶段等三个阶段。在试件受弯初期，其内部的孔隙、微裂隙等逐步闭合，荷载随位移的增长而缓慢增长，试件无明显裂缝出现，这一过程维持时间较短;但随着荷载持续增加，试件所受弯矩增大，其中性层上部受压、下部受拉，当最下部岩体所受拉应力达到其抗拉强度时，试件沿着最下部开始出现裂纹，表现出稳定破裂的状态;随着裂纹的增长、贯通，试件出现宏观的破坏面，导致强度迅速降低，呈现出集聚拉应变能的脆性破坏形态，这一阶段具有瞬时突发性。对比 5 种工况下的荷载位移曲线，其起裂荷载(3.2 节 KAISE 效应点)和峰值荷载大小均差异较大(图 5)。工况的峰值荷载为 1140N，而工 况 的 峰 值 荷 载 为 919N，同 比 降 低 了19.4%，说明岩体受弯时所能承受的最大荷载值受层间黏结强度影响显著，其规律性表现为:从工22023.No.3四 川 水 利况到工况，峰值荷载大小呈现增长趋势，且增长的速度在逐渐降低，即随着层间黏结强度的增长，层状岩体弯曲破坏时所能承受的最大荷载在逐步降低。同时，岩体开始破坏时的起裂荷载随层间黏结强度的增长而增大。分析发现，这是因为在层状岩体受弯的过程中，层理面的存在使得主裂纹在向上扩展的过程中受到抑制，除了提供沿着最大主应力方向拉张所需要的能量之外，还需提供沿着层理面方向剪切的能量，且拉张破裂方向所需能量大于层理面剪切所需能量。李芷等12 研究发现层理面黏聚力 C 对岩体剪切区长度影响较大，剪切区长度与层理面黏聚力 C 呈负相关关系，结合本文分析得工况剪切区长度最大，因此所需总能量越多，完全破裂时所需的荷载也越大。而层间黏结强度低的岩体在受弯过程中，其层理面所能承受的剪切力较低，易从层理面处剪切滑移而致整体破坏。图 4荷载位移关系曲线图 5不同工况下起裂荷载及峰值荷载洞室开挖过程中，对顶板胶结度较差的岩体，在其上覆岩梁载荷下，顶板更易出现表层的岩体脱落、离层，从而有效地抑制了大面积的顶板直接坍塌，因此应在开挖初期进行喷锚支护，将浅层的损伤岩体及时与深部稳定岩体“锁”在一起，从而维持洞室的稳定性。2.22.2破坏形态破坏形态表 1 为 5 种工况下试件三点弯曲试验后的断面破坏形态。由表 1 可知，试件在受弯条件下，主要以沿着最大主应力方向发生明显拉张破裂，但是裂纹扩展的路径并没有平直地沿垂向扩展，具体表现为:工况层间黏结强度高，断面形态较垂直，层理面止裂效果不明显。工况和工况下，层间黏结强度慢慢由强到中过渡，在受弯过程中，试件底部产生拉应力，当超过其抗拉强度时，裂纹首先在底部产生，当扩展到层理面处，可以观察到裂纹发生转向，有着沿层理面扩展的趋势，在沿层理面方向上发生一定迁移，随后又沿着最大主应力方向扩展。在之后又沿着层理面方向发生 2 次转向，整个过程中的多次裂纹路径的偏移，最终形成了交错的“阶梯状”式裂缝网。再到工况和工况时，岩体的层间黏结强度较低，裂纹沿层理面方向的转向更加明显，甚至在试件底部出现了小块掉落。结合前人的研究 13，分析原因发现，由于层理面强度较低，在拉伸过程中，当所受应力达到其强度值时，层理面处将会发生超前破裂，裂纹的存在使得在试件底部出现应力集中现象，导致底部拉剪作用更加剧烈，应力明显增大。表 1试件破坏形态工况断面形态断面破坏形态图破坏形态素描图较垂直略曲折3赵龙辉，赵 净，张 威:不同层间黏结强度下水平层状岩体弯曲破坏试验研究2023.No.3工况断面形态断面破坏形态图破坏形态素描图较曲折较曲折并伴随掉块曲折明显并伴随掉块2.32.3层间黏结强度影响分析层间黏结强度影响分析通过对不同层间黏结强度的层状岩体破坏形态分析，可知岩体弯曲破坏时其裂纹扩展的路径与层理面胶结程度的大小密切相关。提取 5 种工况下裂纹扩展路径(如图 6 所示)，探讨其扩展路径的规律。5 种工况下试件整体都是以张拉破裂为主、剪切破裂为辅的混合型破裂，但差异明显。从工况到工况过程中，裂纹路径沿层理面方向扩展宽度逐渐增大，形成多次转向、曲折的复杂裂纹网，破坏方式由拉张破裂向拉张剪切复合破裂过渡，说明层间黏结强度越弱，对裂纹扩展的影响越大，弱层理面能表现出一定对主裂纹扩展的抑制作用。工况下试件为拉张剪切混合型破坏，主裂纹扩展和层理面的偏移是其所需峰值荷载较大的原因;工况试件层理面的胶结度更好，阻止裂纹扩展的能力更强，以拉张破裂为主，未发生明显的剪切破裂，整体性表现更好，使得其峰值荷载较小。显然，其他三种工况下峰值荷载与裂纹网复杂程度均介于二者之间，且总体趋势随层间黏结强度的变化呈现出递变差异规律性。图 6裂缝扩展路径对于层理面清晰的层状沉积材料，在弯曲变形过程中，其主要存在的裂纹扩展方式有:主应力方向开裂、随层理面迁移和层理面的分层剥离。本文中裂纹主要以主应力方向开裂和随层理面迁移为主，这是因为主裂缝垂直层理面扩展时受到的阻力较大7，导致裂纹沿层理面扩展长度总体较低，在剪切区长度来不及扩展时试件已产生宏观破坏。至此，可以看出层理面的强度对岩体弯曲破坏在受力特性和破坏形态上所表现出的各向异性关系有着重要影响。在页岩气开采中，页岩地层层间黏结强度较低，在开采的过程中易同时沿最大主应力方向和层理面方向产生裂纹，且裂纹沿层理面扩展明显，并持续扩展、贯通，最终形成“阶梯状”式纵横交错的网络，甚至还可能进一步连接到天然节理、裂隙而致体积压裂。此结果可为后续深入研究页岩水力致裂提供一定参考。3声发射特征3.13.1声发射振铃计数声发射振铃计数图 7 为不同层间黏结强度试件在三点弯曲试验过程中 AE 振铃计数时间与载荷行程关系曲线。从总体看，5 种工况下 AE 振铃计数变化趋势相近，在试件开始加载阶段，AE 振铃计数较少。随着加载的进行，到达塑性阶段时，试件逐渐产生微裂缝，此时可以明显观察到 AE 振铃计数显著增加，并以簇状群发的形式出现，达到峰值荷载时大量涌现。整个过程持续时间短，表明岩石材料脆性高，在受弯时，荷载超过弹性极限后塑限屈服阶段短暂，试件的破坏具有瞬时突发性，说明试件为集聚应变能的脆性破坏。对比不同工况发现，最大 AE 振铃计数出现位置在不同工况下发生转移:工况下试件约在峰值荷载位置处出现，工况和工况约在峰值荷载前 95%处，工况和工况约在峰值荷载前 90%处出现。表明层间黏结强度越高，岩体到达最大 AE 振铃计数的时间越晚，即层理面胶结程度越好，岩体整体弯曲破坏贯通所需时间越长。42023.No.3四 川 水 利时间 t/s时间 t/s(a)工况(b)工况时间 t/s时间 t/s(c)工况(d)工况时间 t/s(e)工况图 7AE 振铃计数时间与载荷行程关系曲线3.23.2初始损伤时间关系初始损伤时间关系1950 年，德国学者 J.KAISE 发现多晶金属受到拉伸后，再重新加载，在未达到历史最大应力值时很少有声发射产生，而达到或者