錨固的貫通節(jié)理巖體剪切破壞特性分析

宋 洋，張峰源，李永啟，杜炎齊，王韋頤

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

巖體作為一種普遍的非連續(xù)介質(zhì)，內(nèi)部蘊(yùn)含各種滑動面、裂隙、節(jié)理、弱面以及斷層等。巖體中的節(jié)理對巖體力學(xué)特征和失穩(wěn)損傷演化起著主導(dǎo)作用，在壓剪應(yīng)力作用下巖塊沿節(jié)理面產(chǎn)生剪切位移導(dǎo)致失穩(wěn)是最常見的破壞模式。巖體中的節(jié)理不僅削弱巖體的穩(wěn)定性，而且造成巖體內(nèi)應(yīng)力分布冗雜。因此錨固節(jié)理巖體剪切破壞特征尤其是塑性剪切破碎帶的研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者對巖體進(jìn)行了大量的宏細(xì)觀研究，取得了卓有成效的研究成果。錢慶波等[1]總結(jié)出在峰值荷載前后新生裂隙擴(kuò)展表現(xiàn)出明顯不同的特點(diǎn),在峰值荷載之前新生裂隙經(jīng)受了壓密、剪切裂隙增長、拉伸裂隙和剪切裂隙共同增長等階段；郭朋瑜等[2]得出試樣破裂面可分為翼部拉張區(qū)、翼部壓剪區(qū)、端部拉張區(qū)三部分,各區(qū)面積所占比例隨節(jié)理位置變化而波動；張永政等[3]研究不同粗糙度下錨固節(jié)理巖體的破壞特征和錨固機(jī)理，得出了當(dāng)剪切試驗(yàn)中節(jié)理面的微凸體沒有發(fā)生太大的破壞時，錨固體系的峰值剪切強(qiáng)度隨粗糙度的增加而不斷變大的結(jié)論；連蓮等[4]對不同充填厚度下節(jié)理面的剪切破壞行為和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明在同一粗糙度下，不同厚度充填節(jié)理的破壞模式?jīng)]有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)為粘結(jié)面的破壞；REIK等[5]對貫通節(jié)理巖體試件進(jìn)行了真三軸壓縮試驗(yàn)，得出了當(dāng)應(yīng)力與節(jié)理走向平行時，中間主應(yīng)力的影響相對較??；FERRERO[6]對加錨混凝土及巖石進(jìn)行了剪切試驗(yàn)指出影響抗剪強(qiáng)度的因素有錨桿材質(zhì)、桿體尺寸及巖體類型；宋英龍等[7]通過PFC2D軟件利用單軸壓縮試驗(yàn)標(biāo)定水泥砂漿試塊得出了隨著節(jié)理形貌錯位量的增加峰值抗剪強(qiáng)度不斷減小；王剛等[8]基于顆粒流理論，分別在恒定法向剛度與恒定法向荷載邊界下，討論了不同節(jié)理形貌巖石節(jié)理面的細(xì)觀破壞機(jī)理與力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律；通過以上總結(jié)，目前國內(nèi)外對節(jié)理巖體的強(qiáng)度影響因素有一定研究，但是對不同節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體宏細(xì)觀剪切破壞還需進(jìn)一步深入研究，本文考慮不同節(jié)理傾角，采取室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的辦法，分別從宏觀和細(xì)觀的角度對錨固節(jié)理巖體的破壞進(jìn)行分析，研究不同節(jié)理傾角錨固節(jié)理巖體剪切行為和破壞模式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案與試件制作

由于采集真實(shí)錨固節(jié)理巖體困難，故選擇相似材料制作錨固節(jié)理巖體。本文采用的材料是水泥、砂和水并且按照質(zhì)量比為1∶1∶0.45攪拌制成試件，所得材料的物理性質(zhì)與巖石比較接近,根據(jù)研究目的設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 節(jié)理巖體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Experimentation design of jointed rock mass

根據(jù)表1的方案制作巖體試件，并用素水泥漿液黏合試件的兩部分，預(yù)留直徑為10 mm貫通的孔洞作為錨桿鉆孔放置錨桿，圖1為制作好的錨固節(jié)理巖體。

圖1 不同節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體試件Fig.1 Anchor-added through jointed rock mass specimens at different joint inclinations

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)主要研究節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響，對節(jié)理傾角為0°、30°、45°、60°的錨固貫通節(jié)理巖體試件進(jìn)行了剪切試驗(yàn)。采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室的TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，為了降低端部效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前在試件端面涂適量機(jī)油，這樣不僅能降低試件與剛性承壓板之間的摩擦約束，還能降低加載過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，采用位移控制法進(jìn)行加載，加載速率控制在0.1 mm/min，并根據(jù)應(yīng)變率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，剪切位移達(dá)到5 mm為試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志，試驗(yàn)結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動采集。

圖2 TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)Fig.2 TAW-2000 electro-hydraulic servo triaxial testing machine

2 節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體宏觀剪切特性的影響

2.1 節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度分析

錨固節(jié)理巖體主要依靠充填在節(jié)理中的素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”和錨桿剛度共同抵抗剪切應(yīng)力。錨固節(jié)理巖體剪切應(yīng)力—剪切位移曲線如圖4所示，不同節(jié)理傾角錨固節(jié)理巖體的曲線略有差別，但趨勢相同呈“雙駝峰”趨勢，隨著節(jié)理傾角的增加，最大剪切強(qiáng)度變化趨勢不是單調(diào)的出現(xiàn)的峰值點(diǎn)而且發(fā)生的位置出現(xiàn)滯后，說明貫通節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體的剪切破壞有影響，節(jié)理降低了錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度，由圖4可知節(jié)理傾角為45°時貫通節(jié)理錨固巖體的抗剪強(qiáng)度最大，由表2可知此時的抗剪強(qiáng)度達(dá)到17.9MPa。

圖4 不同節(jié)理傾角加錨貫通節(jié)理巖體剪力-位移曲線Fig.4 Shear force-displacement curve of rock mass with anchor through joints at different joint inclinations

表2 不同節(jié)理傾角最大抗剪強(qiáng)度-剪切位移Table 2 Maximum strength against shear force-shear displacement at different joint inclinations

綜合分析4種節(jié)理傾角下錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度曲線，曲線呈“雙駝峰”趨勢,對曲線各階段的特征分析如下：

OA段：彈性階段，該階段曲線基本呈直線，此階段由巖體自身和素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”共同抵抗剪切應(yīng)力。

AB段：跌落階段，該階段剪切應(yīng)力發(fā)生下降，原因在于節(jié)理面與巖體和節(jié)理面與錨桿交界處的水泥漿發(fā)生破壞，界面膠結(jié)力喪失，此階段錨桿也發(fā)揮作用，錨桿抗剪貢獻(xiàn)值小于膠結(jié)喪失的抗剪值，表現(xiàn)為剪切應(yīng)力下降。

BC段：回升階段，該階段剪切應(yīng)力發(fā)生回升，原因在于節(jié)理與巖體之間的“膠結(jié)作用”發(fā)生破壞，錨桿發(fā)揮主要的抗剪作用，錨桿抗剪貢獻(xiàn)值大幅度上升，錨固貫通節(jié)理巖體剛度回升。錨桿對節(jié)理面抗剪性能有增強(qiáng)效應(yīng)，使錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度仍有一定程度的增長，巖體的穩(wěn)定性得到提高。

CD段：殘余階段，該階段錨桿形狀發(fā)生改變由初始階段的“1”字型轉(zhuǎn)化成“之”字形，試驗(yàn)結(jié)束錨桿未被剪斷發(fā)生屈服變形，錨桿的抗剪強(qiáng)度下降導(dǎo)致錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度下降。

2.2 節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體裂隙生成的影響

錨固貫通節(jié)理巖體的力學(xué)特性受節(jié)理面傾角的影響非常明顯，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨固節(jié)理巖體變形到一定階段后，巖體沿節(jié)理面產(chǎn)生了明顯的相對滑移和錯動，巖體表面出現(xiàn)裂紋并逐漸增多，裂紋延伸方向主要沿節(jié)理角度方向，錨固節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度由巖體、節(jié)理和錨桿共同提供。當(dāng)節(jié)理傾角不同時，錨固巖體將出現(xiàn)兩種不同的破壞模式：沿節(jié)理面的剪切破壞和沿最大剪切應(yīng)力方向的張拉破壞，初始階段錨固節(jié)理巖體裂隙發(fā)展緩慢，裂隙走向基本都和最大剪切應(yīng)力方向平行或成一定的夾角，隨著剪切位移的逐漸增加裂隙的數(shù)量和尺寸不斷增漲，剪切一段時間后，初始裂隙得到充分?jǐn)U展并且大量新裂隙開始產(chǎn)生，最后裂隙貫通導(dǎo)致試件破壞。在加載初期不同節(jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體，裂隙生成規(guī)律大致相同，但是隨著剪切位移的增加則出現(xiàn)不同的裂隙生成，錨固節(jié)理巖體剪切破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 錨固貫通節(jié)理巖體破壞形態(tài)圖Fig.5 Failure pattern diagram of anchoring through jointed rock mass

3 節(jié)理傾角對錨固節(jié)理巖體細(xì)觀剪切特性的影響

3.1 模型參數(shù)標(biāo)定

由于在室內(nèi)試驗(yàn)中顆粒接觸模量、黏聚力、法向抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀參數(shù)無法直接獲得，所以采用PFC內(nèi)置的參數(shù)標(biāo)定程序[9]對巖體材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行標(biāo)定，為了準(zhǔn)確地模擬錨固節(jié)理巖體實(shí)際的破壞形態(tài)，采用的細(xì)觀參數(shù)見表3。

表3 各種材料PFC模型細(xì)觀參數(shù)Table 3 Microscopic parameters of PFC models of various materials

3.2 錨固節(jié)理巖體PFC模型的抗剪強(qiáng)度

剪切過程中錨固節(jié)理巖體主要處于壓剪應(yīng)力狀態(tài)，本文采用PFC內(nèi)置的FISH語言編程建立直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對含有不同?jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體的破壞模式進(jìn)行研究與分析。直剪試驗(yàn)數(shù)值模擬模型如圖6所示，剪切盒基本模型主要由6面墻體組成，其中2號、4號、5號墻體構(gòu)成上部剪切盒，4號墻體作為伺服墻體，對模型施加恒定的法向荷載，加載墻體為2號和5號墻體，使上部剪切盒可以水平運(yùn)動，下部剪切盒固定不動。本文建立錨固巖體模型的主要部分包括上下塊體、錨桿、節(jié)理，錨固節(jié)理巖體的寬和高均為100 mm。對不同的節(jié)理傾角的錨固節(jié)理巖體分別進(jìn)行直剪模擬試驗(yàn)，得出剪切應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比如圖7所示，數(shù)值模擬曲線符合試驗(yàn)所獲得曲線的特點(diǎn)，都是呈“雙駝峰”的形狀，模擬所得節(jié)理傾角為45°時的錨固節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度最大，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)定所獲得的細(xì)觀參數(shù)可用來模擬室內(nèi)試驗(yàn)剪切。

圖6 加錨節(jié)理剪切數(shù)值模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of shear numerical model of anchor joint

圖7 試驗(yàn)—模擬曲線對比圖Fig.7 Comparison diagram of test-simulation curve

3.3 錨固節(jié)理巖體顆粒間接觸方位演化特性

在剪切過程中顆粒間接觸力的方向和大小都是不斷變化的，本文利用PFC內(nèi)部的FISH語言編程對錨固節(jié)理巖體內(nèi)部顆粒接觸方位角進(jìn)行檢測。圖8和圖9是不同節(jié)理傾角下顆粒接觸方位演化圖，不同節(jié)理傾角下錨固貫通節(jié)理巖體內(nèi)部顆粒間法向接觸力變化趨勢基本一致的，但顆粒間切向接觸力是有差異的。

圖8 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體體內(nèi)部顆粒間法向接觸力的統(tǒng)計(jì)分布Fig.8 Statistical distribution of normal contact force between particles in anchoring through jointed rock mass at different joint inclinations

隨著錨固體系受切向荷載作用，顆粒間接觸愈發(fā)充分，但接觸力分布并不均勻，接觸方位角也不同：節(jié)理傾角為0°的錨固體系接觸方位角主要集中在40°～50°、100°～130°、200°～220°和280°～290°；節(jié)理傾角為30°的錨固體系接觸方位角主要集中在20°～40°和200°～220°；節(jié)理傾角為45°的錨固體系接觸方位角主要集中在30°～50°和210°～230°；節(jié)理傾角為60°的錨固體系接觸方位角主要集中在40°～70°和210°～240°；曲線包圍的面積越大接觸力越大。從圖9可以看出：隨著節(jié)理傾角的變化，切向接觸力的大小和方位角是不斷發(fā)生變化，并逐漸向節(jié)理方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，最終切向接觸方位角基本偏向節(jié)理傾角，這主要是由于剪切過程會導(dǎo)致節(jié)理面的剪脹，導(dǎo)致錨固貫通節(jié)理巖體組構(gòu)發(fā)生改變引起的。綜上所述，在整個錨固節(jié)理巖體剪切過程中隨著剪切位移增加，錨固節(jié)理巖體的顆粒的接觸數(shù)量及接觸方位角分布區(qū)域分布不同，顆粒間接觸方位角向節(jié)理傾角方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖9 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體體內(nèi)部顆粒間切向接觸力的統(tǒng)計(jì)分布Fig.9 Statistical distribution of tangential contact forces between particles in anchoring through jointed rock mass at different jointed inclinations

通過對圖9和表4進(jìn)行分析，節(jié)理傾角為45°加錨貫通節(jié)理巖體顆粒間真實(shí)的接觸總數(shù)最多，切向顆粒接觸力最大，說明錨固體系在剪切過程中節(jié)理傾角為45°時錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度效果最好，符合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。

表4 顆粒間力鏈統(tǒng)計(jì)Table 4 Force chain statistics between particles

3.4 錨固節(jié)理巖體顆粒間裂隙特征

利用PFC內(nèi)部的FISH語言對錨固節(jié)理巖體因剪切生成的裂隙進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測。圖10為當(dāng)剪切位移達(dá)到5 mm時不同節(jié)理傾角下錨固體系中裂隙分布情況，錨固節(jié)理巖體在加載過程中產(chǎn)生的宏觀裂隙是由產(chǎn)生的微觀裂隙不斷增加并且最終貫通引起的，在同等剪切位移的條件下巖體抗剪強(qiáng)度越高所生成的裂隙越少。圖10中黑色部分代表的是因剪切生成的裂隙，紅色線條代表的是錨桿，裂隙主要在剪切、節(jié)理以及錨桿附近生成，在剪切之后錨桿呈明顯的“之”字形，這也與室內(nèi)試驗(yàn)相吻合，裂隙生成的位置也與試驗(yàn)產(chǎn)生的裂隙位置相符合。四組試驗(yàn)?zāi)M除了節(jié)理傾角不同其余模擬條件一致，模擬結(jié)果說明不同的節(jié)理傾角對巖體抗剪強(qiáng)度會產(chǎn)生不同的影響。綜合圖10與圖11可以得出結(jié)論：在節(jié)理傾角為45°時，錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度最高，產(chǎn)生裂隙數(shù)量最少，抵抗剪切變形的效果最好，不同節(jié)理傾角的錨固貫通節(jié)理巖體產(chǎn)生的張拉裂隙的數(shù)量遠(yuǎn)大于剪切裂紋的數(shù)量，這是由于錨桿與周圍的顆粒擠壓十分劇烈，導(dǎo)致顆粒黏結(jié)發(fā)生斷裂，符合擠壓導(dǎo)致張拉裂紋作用機(jī)理。

圖10 不同節(jié)理傾角下加錨貫通節(jié)理巖體內(nèi)部裂隙分布Fig.10 Distribution of internal fractures in rock mass with anchor through joints at different joint inclinations

圖11 錨固貫通節(jié)理巖體剪切裂隙圖Fig.11 Shear fracture table of anchored through jointed rock mass

3.5 錨固節(jié)理巖體顆粒間裂隙發(fā)展規(guī)律

利用PFC內(nèi)部的FISH語言對處于剪切試驗(yàn)狀態(tài)下的錨固節(jié)理巖體內(nèi)部細(xì)觀裂隙的生成進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，對節(jié)理傾角是45°的錨固節(jié)理巖體進(jìn)行檢測。結(jié)合宏觀試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，檢測點(diǎn)1、2是處于彈性階段，此階段有巖體和素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”抵抗剪切應(yīng)力，可以看出裂隙主要在節(jié)理附近產(chǎn)生；監(jiān)測點(diǎn)3、4是處于跌落階段的監(jiān)測點(diǎn)，此階段節(jié)理面上下盤之間或節(jié)理面與錨桿交界處的水泥漿發(fā)生破壞，錨桿發(fā)揮抗剪作用，節(jié)理附近繼續(xù)生成裂隙，錨桿附近也開始產(chǎn)生裂隙并逐漸增多；監(jiān)測點(diǎn)5、6是處于回升階段的監(jiān)測點(diǎn)，此階段素水泥漿液與節(jié)理面之間的“膠結(jié)作用”發(fā)生破壞，錨桿發(fā)揮主要的抗剪作用，此時裂隙主要生成的位置是錨桿附近，節(jié)理附近也有裂隙生成，但數(shù)量沒有錨桿附近裂隙多；監(jiān)測點(diǎn)7是處于殘余階段的監(jiān)測點(diǎn)，錨桿發(fā)生屈服變形，節(jié)理和錨桿附近均生成裂隙；裂隙發(fā)展階段情況符合宏觀試驗(yàn)破壞階段。

圖12 節(jié)理傾角45°錨固巖體裂隙發(fā)育圖Fig.12 Fracture development of rock mass with joint inclination angle of 45°

4 結(jié)論

(1)隨著節(jié)理傾角的改變，錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度曲線并不是呈線性增長，而是趨向于“雙駝峰”趨勢，當(dāng)節(jié)理傾角為45°時，錨固貫通節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度最大，當(dāng)節(jié)理傾角為0°時，錨固貫通節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度最小。

(2)錨固節(jié)理巖體在剪切試驗(yàn)的過程中，顆粒間的接觸方位角會向節(jié)理傾角方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，接觸力的方向分并不均勻，但是分布區(qū)域還是有一定規(guī)律，主要集中在節(jié)理附近。

(3)錨固節(jié)理巖體在剪切試驗(yàn)的過程中，會因?yàn)轭w粒間黏結(jié)鍵的斷裂生成裂紋，裂紋數(shù)生成的越少，其抗剪強(qiáng)度越高，當(dāng)節(jié)理傾角為45°時，因剪切生成的裂紋數(shù)最少，所以抗剪強(qiáng)度最高，裂紋數(shù)量多為張拉裂隙,且高于剪切裂紋。

(4)室內(nèi)試驗(yàn)與PFC數(shù)值模擬的宏細(xì)觀結(jié)合得到整體、連續(xù)的裂隙分布，能夠用不同階段下的細(xì)觀裂隙表征不同階段下的試件宏觀破碎，從而揭示錨固節(jié)理巖體內(nèi)部裂隙演化規(guī)律，使其可以運(yùn)用到實(shí)際工程破壞模式的預(yù)測和巖體工程穩(wěn)定性評價中。