循环加卸载作用下不同粗糙度...面的变形破坏门槛值试验研究_郑葳.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期163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1王振2顾琳琳1李胡军2马俊男3(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4668555)摘要:岩石的应力“门槛值”是预测是否发生变形破坏的重要参数。为研究应力“门槛值”的变化规律及其对岩石变形特征的影响，利用 CSS1950 岩石双轴流变试验机对不同粗糙度的 Barton 曲线结构面的水泥砂浆试块展开分级循环加卸载试验。通过分析各法向应力下不同结构面试样的变形特征，总结“门槛值”的求解方法。基于“门槛值”的计算结果，分析了“门槛值”与岩石节理粗糙度系数(JC)和法向应力的关系，探讨了 JC 和法向应力对结构面变形特征的影响。研究表明:随着剪切荷载等级的提高，结构面循环加载后的位移先呈现线性增长，而后进入非线性发展阶段，两者转折点所对应的水平应力值即为结构面的“门槛值”;随着 JC 或法向应力的增大，结构面的“门槛值”增大，“门槛值比率”却发生了下降。关键词:结构面;粗糙度;循环剪切;变形特性;门槛值DOI:10.13204/jgyjzG21120802Experimental esearch on Threshold Values of Deformation Failureof ock Discontinuities with Different oughness UnderCyclic Loading and UnloadingZHENG Wei1WANG Zhen2GU Linlin1LI Hujun2MA Junnan3(1Department of Civil Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;3Department of Civil Engineering，Nagoya Institute of Technology，Nagoya 466-8555，Japan)Abstract:The threshold value of rock is an important parameter to predict whether deformation failure occurs Tostudy the changing law of threshold value and its influence on rock deformation characteristics，using the CSS-1950biaxially rheological testing machine for rock to conduct the cyclic loading and unloading test for cement mortar blockswith different roughness of Barton curve discontinuities，by analyzing the deformation characteristics of different rockdiscontinuities specimens under various normal stresses，the solution method of threshold value was summarizedBased on the calculation results of threshold values，the relation between the threshold value，the joint roughnesscoefficient(JC)and the normal stress was analyzed The effects of the JC and the normal stress on the deformationcharacteristics of rock discontinuities were discussed esearch showed that with the increase of the shear load level，the displacement of the rock discontinuity subjected to cyclic loading first grew in a linear trend，and then grew in anonlinear development state The horizontal stress values corresponding to the two turning points were the thresholdvalues of the rock discontinuity With the increase of the JC or normal stress，the threshold values of the rockdiscontinuity increased，however the threshold value ratio decreasedKeywords:rock discontinuity;roughness;cyclic shear loading;deformation characteristics;threshold value*国家自然科学基金青年基金项目(42002266，51908288)。第一作者:郑葳，男，1998 年出生，zw2042746153 163com。通信作者:王振，男，1997 年出生，博士，讲师，wangzhen2012 njusteducn。收稿日期:20211208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164工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期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，23 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。46 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710，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;1112 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;1415 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1617，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 CSS1950 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(JC)及法向应力的关系，探讨 JC 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 CSS1950 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 h。1.2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42 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 cm10 cm10 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 JC 分别取 JC=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Fig1Specimens and schematic diagrams of rock discontinuity curves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，等1652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 1Uniaxial compressive strength of each specimen试件编号峰值应力/kN抗压强度/MPa1228.4722.852233.4423.343177.6917.774248.3724.845198.5519.862.2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(JC=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