加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切破壞及聲發(fā)射特征研究

高軍強(qiáng) 劉廣建 杜時(shí)貴,2 賈瑞鋒 王康宇 徐鈺東

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

天然巖體是由巖石和各種節(jié)理、層面、斷層等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體,在自然界中大部分巖體結(jié)構(gòu)面兩側(cè)壁巖性質(zhì)并不相同,特別是兩側(cè)壁巖強(qiáng)度的不同,往往會(huì)造成如邊坡滑移等重大自然災(zāi)害發(fā)生[1]。工程中錨桿在錨固方面具有良好的效果,可以有效地限制巖塊間的相對(duì)位移,提高巖體的整體穩(wěn)定性。但是結(jié)構(gòu)面兩側(cè)壁巖強(qiáng)度的不同導(dǎo)致錨桿在錨固過(guò)程中必定與同性結(jié)構(gòu)面存在著不同的作用機(jī)理。因此,研究加錨異性結(jié)構(gòu)面的直剪特性具有重要的工程意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在同性加錨結(jié)構(gòu)面直剪特性方面做了大量的研究。如葛修潤(rùn)等[2]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析,討論了錨桿對(duì)節(jié)理面抗剪性能的影響并提出了加錨節(jié)理面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式;何棟梁等[3]基于數(shù)值模擬方法分析了拉—剪狀態(tài)下剪切強(qiáng)度與破壞模式;張偉等[4]模擬了不同強(qiáng)度的巖體在剪切過(guò)程中的變形和受力特征,分析得出剪力—位移曲線存在彈性、屈服、塑形強(qiáng)化階段;劉泉聲等[5]選取3 種不同的自然巖石材料開(kāi)展了加錨剪切試驗(yàn),結(jié)果表明:不同材料的類巖石其錨固力學(xué)性質(zhì)有一定的區(qū)別;何棟梁等[6]基于數(shù)值模擬方法,從微觀角度分析了剪切—位移曲線和峰值剪切強(qiáng)度對(duì)錨固節(jié)理宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響;朱友焱等[7]研究了不同法向應(yīng)力下錨固結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力分布變化規(guī)律,結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)面在錨固處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象并出現(xiàn)了拉剪破壞;陳文強(qiáng)等[8-9]在考慮受壓側(cè)巖體反力非線性作用及結(jié)構(gòu)面剪脹效應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得出錨桿抗剪力公式,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性;楊步云等[10]得出,在相同剪切位移條件下,錨桿所受反力越大,則錨桿所受剪力越大,所受軸力相對(duì)減小但變化幅度不大。WANG 等[11]結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了不同錨固條件下的剪切力學(xué)特性和聲發(fā)射參數(shù);WU 等[12]基于循環(huán)剪切試驗(yàn)研究了吸能錨桿在多次剪切后的抗剪能力變化,并提出了評(píng)價(jià)抗剪能力損失的指標(biāo)。上述研究通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法分析了加錨結(jié)構(gòu)面的直剪特性、破壞特征、裂隙演化規(guī)律等,但其主要側(cè)重于兩側(cè)巖性相同的結(jié)構(gòu)面,對(duì)于異性結(jié)構(gòu)面并不適用,因此需要利用上述研究方法討論加錨異性結(jié)構(gòu)面的問(wèn)題。

異性結(jié)構(gòu)面剪切失穩(wěn)方面也引起了大量學(xué)者的關(guān)注。如GHAZVINLANA[13]利用3 種不同強(qiáng)度的石膏砂漿開(kāi)展了異性結(jié)構(gòu)面直剪特性研究;KODIKARA等[14]分析了巖石—混凝土接觸面剪切試驗(yàn)過(guò)程,認(rèn)為該結(jié)構(gòu)面在剪切過(guò)程中具有一定的延展性;王姣等[15]基于三峽庫(kù)區(qū)不同類型的結(jié)構(gòu)面開(kāi)展了相關(guān)力學(xué)性質(zhì)研究,從而得到了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù),且初步分析了某一典型邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題;方堃等[16]基于顆粒流軟件PFC 對(duì)異性結(jié)構(gòu)面研究后發(fā)現(xiàn),異性結(jié)構(gòu)面的剪切性質(zhì)更加接近于性質(zhì)較弱一側(cè)巖石所組成的結(jié)構(gòu)面。上述學(xué)者通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方式主要研究了無(wú)錨結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,在一定程度上揭示了結(jié)構(gòu)面的剪切特性。

現(xiàn)有研究主要集中在同性加錨結(jié)構(gòu)面和異性無(wú)錨結(jié)構(gòu)面的直剪特性,忽略了結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖性不同導(dǎo)致錨桿變形不對(duì)稱的情況。鑒于此,本研究基于自行研制的1 000 kN 巖石結(jié)構(gòu)面尺寸效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行兩側(cè)壁巖強(qiáng)度不同的加錨異性結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn),并通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究加錨異性結(jié)構(gòu)面的直剪破壞和聲發(fā)射特征,揭示加錨異性結(jié)構(gòu)面的破壞機(jī)制,研究成果可為解決復(fù)合層狀巖體工程問(wèn)題提供參考。

1 試樣制備

1.1 上下盤(pán)試塊澆筑

為了模擬加錨異性結(jié)構(gòu)面在剪力作用下的受力特征并方便試件成型,采用水泥砂漿制作巖體材料試件,模型分為3 種強(qiáng)度,編號(hào)分別為1、2、3 號(hào)。依據(jù)黃曼[17]提出的水泥、沙子、硅粉、水等材料的配合比,得出本試驗(yàn)巖體的材料配合比如表1所示。試件尺寸為200 mm×200 mm×100 mm 的長(zhǎng)方體,混凝土試件澆筑分為上下盤(pán)兩部分,在澆筑過(guò)程中振搗密實(shí)抹平并養(yǎng)護(hù)24 h 之后開(kāi)始養(yǎng)護(hù),澆筑過(guò)程中,在模具中插入一根直徑為32 mm PVC 管,為后期錨桿安裝預(yù)留孔洞,澆筑后的水泥試塊放入室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 混凝土配合比參數(shù)Table 1 Concrete mix proportion parameters

1.2 錨桿安裝

錨桿采用HRB400 型螺紋鋼制作,直徑為?16 mm,長(zhǎng)為180 mm,屈服強(qiáng)度為425 MPa,其基本力學(xué)參數(shù)如表2所示。錨固角度為60°時(shí),加錨結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度最大[18-19],因此錨桿安裝傾角選擇60°。錨桿采用樹(shù)脂錨固劑錨固,錨固劑型號(hào)為Z2850,其凝膠時(shí)間為120～240 s,錨桿錨固后,待錨固劑24 h 后達(dá)到其終凝強(qiáng)度。

表2 錨桿力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of bolt

1.3 材料參數(shù)測(cè)定

為了解各配比試件的基本參數(shù),對(duì)同一批次的試樣取芯,然后切割、打磨,制成高徑比為3∶1 的試件。之后在MTS 剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),以確定其單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等基本力學(xué)參數(shù)。各試塊基本參數(shù)如表3所示。

表3 巖體材料基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of rock mass materials

2 試驗(yàn)裝置及加載方案

2.1 試件加載方式

為研究上下盤(pán)壁巖強(qiáng)度差異對(duì)加錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律,開(kāi)展了法向應(yīng)力為1.0 MPa下無(wú)錨及加錨異性結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)中選取22.5、38.4、49.8 MPa 3 種不同壁巖強(qiáng)度的試件,為了更加方便地表達(dá)上下盤(pán)壁巖之間的強(qiáng)度差異,定義λ為上下盤(pán)壁巖強(qiáng)度比值,則可以分為3 種情況依次為λ<1,λ=1,λ>1,具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。本試驗(yàn)利用杜時(shí)貴團(tuán)隊(duì)[20]研發(fā)的1 000 kN 巖石結(jié)構(gòu)面尺寸效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示[20]。試驗(yàn)過(guò)程中首先對(duì)試件施加法向應(yīng)力,法向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值后施加水平剪切位移,剪切位移速率為0.02 mm/s,無(wú)錨異性結(jié)構(gòu)面剪切位移終點(diǎn)為5 mm,加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切位移終點(diǎn)為40 mm。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)錨—加錨異性結(jié)構(gòu)面的剪切力—剪切位移曲線由電液伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。

圖1 剪切試驗(yàn)裝置Fig.1 Shear test device

表4 試驗(yàn)加載方案Table 4 Experimental loading schemes

2.2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備

聲發(fā)射采集系統(tǒng)選用北京軟島時(shí)代公司研發(fā)的DS5 全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀,如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中使用夾具將聲發(fā)射傳感器布設(shè)于下盤(pán),傳感器與巖樣之間使用耦合劑進(jìn)行耦合。共布設(shè)8 個(gè)傳感器,分別對(duì)稱布設(shè)在下盤(pán)試件前后兩個(gè)側(cè)面,如圖3所示。本次試驗(yàn)中聲發(fā)射系統(tǒng)主放40 dB,門(mén)限值設(shè)定40 dB,采樣頻率為3 MHz,探頭頻率為20～400 kHz。

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.2 Acoustic emission monitoring equipment

圖3 聲發(fā)射傳感器布置Fig.3 Layout of acoustic emission sensors

3 剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 異性結(jié)構(gòu)面無(wú)錨—加錨剪應(yīng)力—位移曲線

不同λ下無(wú)錨—加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力—位移曲線如圖4所示。由圖4 可知:在加載初期,無(wú)錨結(jié)構(gòu)面曲線近似直線增長(zhǎng);當(dāng)剪切應(yīng)力到達(dá)峰值后,曲線保持直線不變。原因是:無(wú)錨結(jié)構(gòu)面在剪切過(guò)程中,結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度主要通過(guò)上下盤(pán)之間的摩擦力提供,同種巖石材料的界面摩擦因數(shù)相同,故上盤(pán)壁巖強(qiáng)度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度沒(méi)有影響。隨著上盤(pán)壁巖強(qiáng)度增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度相比于無(wú)錨時(shí)依次提高了200%、267%、303%,表明在巖體中加入錨桿可以更好地提高異性結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

加錨異性結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5 可知:隨著弱側(cè)壁巖強(qiáng)度增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力呈非線性增加趨勢(shì),與弱側(cè)壁巖強(qiáng)度為22.5 MPa 相比,弱側(cè)壁巖強(qiáng)度為38.4 MPa 與49.8 MPa 的加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力從2.01 MPa 上升至2.76 MPa 與3.0 MPa,上升幅度分別為22.2%和34.2%,表明弱側(cè)壁巖強(qiáng)度增加可以提高加錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度。

圖5 加錨異性結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of strength-shear stress and weak lateral wall rock with anchoring anisotropic structure

3.2 加錨異性結(jié)構(gòu)面的剪切破壞特征

不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面的直剪破壞特征如圖6所示。在室內(nèi)直剪試驗(yàn)中,3 組加錨異性結(jié)構(gòu)面均產(chǎn)生了較大程度破壞,試件上盤(pán)的破壞程度由輕變重,破壞類型依次為剪切、拉剪、劈裂破壞。錨桿與錨固劑及巖體相互擠壓處首先產(chǎn)生宏觀主裂隙,之后裂隙沿著主裂隙不斷擴(kuò)展、匯聚和貫通,λ值越高,主裂隙附近衍生裂隙越多,且主裂隙貫通方向與剪切方向基本一致。原因是:巖石是具有非均質(zhì)性和各向異性的材料,在破壞時(shí)裂隙的方向和形態(tài)均會(huì)發(fā)生一定的變化,當(dāng)λ值增加后,巖體與錨桿相互擠壓時(shí)內(nèi)部發(fā)育的裂隙形態(tài)與方向均會(huì)改變,且λ值越高,改變?cè)酱?。因?λ值越高的巖體主裂隙附近會(huì)產(chǎn)生與主裂隙方向不同的衍生裂隙。且錨桿抑制了上下盤(pán)壁巖的相對(duì)移動(dòng),錨桿在銷釘作用下會(huì)對(duì)周?chē)趲r產(chǎn)生擠壓,上下盤(pán)中壁巖強(qiáng)度較小的一側(cè)先發(fā)生破壞,但在剪切盒限制下,結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度較低的一側(cè)破壞后仍然具有抵抗剪切的能力,使得結(jié)構(gòu)面兩側(cè)壁巖全部破壞。

圖6 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切破壞特征Fig.6 Shear failure characteristics of different λ anchored dissimilar structural planes

4 加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切失穩(wěn)聲發(fā)射特征

巖石在破壞過(guò)程中內(nèi)部往往會(huì)有裂隙萌發(fā),之后不斷擴(kuò)展形成宏觀斷裂面。聲發(fā)射是一種裂紋萌生、擴(kuò)展的伴生現(xiàn)象[21]。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的采集與分析可以更好地了解巖石內(nèi)裂紋的數(shù)量、位置、尺度及類型[22]。在加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè),獲取加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征變化規(guī)律,以研究加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切破壞過(guò)程中能量釋放大小、不同階段聲發(fā)射事件定位、裂隙發(fā)育尺度、發(fā)育類型等。

4.1 加錨異性結(jié)構(gòu)面的累計(jì)聲發(fā)射特征

不同λ取值條件下加錨異性結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力及聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)隨位移的變化曲線如圖7所示。

加錨異性結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力隨位移的變化規(guī)律近似一致,具有階段性:由A點(diǎn)到B點(diǎn)時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力—位移曲線呈非線性狀態(tài),斜率逐漸減小,且在B點(diǎn)前有短暫的下凹。原因是:在剪切力作用下,錨固劑受到了擠壓破壞,且試件內(nèi)部原生孔隙及微裂隙被壓密,將該階段稱為壓密階段。由B點(diǎn)到C點(diǎn)時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力隨位移的變化呈線性增加。這是因?yàn)殄^固劑在被擠壓破壞后,巖體與錨桿之間相互擠壓受力,加錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度不斷增加,將該階段稱為彈性階段。由C點(diǎn)到D點(diǎn)時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力—位移曲線出現(xiàn)了不同程度波動(dòng)。說(shuō)明該階段巖體表面出現(xiàn)了一些宏觀裂紋,錨桿出現(xiàn)了變形,且承擔(dān)主要的抗剪力,將該階段稱為屈服階段。由D點(diǎn)到E點(diǎn)時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力—位移曲線呈非線性變化,且具有下降趨勢(shì)。原因是:隨著剪切位移增加,錨桿持續(xù)發(fā)生變形,試塊被剪碎,因此其抗剪強(qiáng)度不斷減小,將該階段稱為破壞階段。

圖7 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力—累計(jì)計(jì)數(shù)—剪切位移曲線Fig.7 Shear stress-cumulative count-shear displacement curves of structural plane with different λ added anchorage

加錨異性結(jié)構(gòu)面的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)—位移曲線也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律:壓密階段(A～B點(diǎn)),該階段聲發(fā)射活動(dòng)有一定的增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面累計(jì)計(jì)數(shù)—位移曲線呈非線性增長(zhǎng),表明此階段錨固劑受到擠壓破壞后釋放了一定的能量。隨著剪切荷載增加,在進(jìn)入彈性階段(B～C點(diǎn))后,加錨異性結(jié)構(gòu)面累計(jì)計(jì)數(shù)—位移曲線呈非線性增長(zhǎng),聲發(fā)射在較短時(shí)間內(nèi)獲得了大量的累計(jì)計(jì)數(shù)。說(shuō)明錨固劑被擠壓破壞后,錨桿與巖體之間開(kāi)始相互擠壓受力,且錨桿周?chē)膸r體出現(xiàn)了一定的裂隙。到達(dá)屈服階段(C～D點(diǎn))后,加錨異性結(jié)構(gòu)面累計(jì)計(jì)數(shù)—位移曲線斜率繼續(xù)增長(zhǎng),但與彈性階段相比增長(zhǎng)速率減小。原因是:該階段錨桿出現(xiàn)了變形,巖體中出現(xiàn)的裂隙迅速匯聚、貫通,巖體表面出現(xiàn)宏觀裂紋。D點(diǎn)過(guò)后是破壞階段(D～E點(diǎn)),此階段加錨異性結(jié)構(gòu)面累計(jì)計(jì)數(shù)隨位移變化呈非線性增長(zhǎng)。主要原因是在剪切力作用下,試件出現(xiàn)了剪碎現(xiàn)象,巖體釋放了一定的聲發(fā)射信號(hào)和應(yīng)變能。

對(duì)比圖7(a)～(c)可知,隨著λ值增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)逐漸增大。λ值越高,加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)越大,λ<1、λ=1 與λ>1的加錨異性結(jié)構(gòu)面的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)分別為4.3×107、4.4×107和6.9×107次,與λ<1 相比,λ=1 與λ>1 的加錨異性結(jié)構(gòu)面累計(jì)計(jì)數(shù)提高了2.4% 和62.09%。原因是:上盤(pán)壁巖強(qiáng)度增加提高了巖體承受錨桿擠壓的能力,使巖樣表面和內(nèi)部裂隙貫通所需能量增加,破壞時(shí)釋放的應(yīng)變能增大,且產(chǎn)生的微裂隙數(shù)量增加。

4.2 加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射事件定位

不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面各階段聲發(fā)射事件的定位結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面各階段聲發(fā)射事件定位圖Fig.8 Acoustic emission event location maps for different λ anchored anisotropic structural surfaces in different stages

由圖8 可知:初始?jí)好茈A段,加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射事件分布在錨桿周?chē)皫r體四周。原因是:在剪切力作用下,錨固劑出現(xiàn)了擠壓破壞現(xiàn)象,且?guī)r體中原有的空隙及微裂隙被壓密;進(jìn)入彈性階段后,當(dāng)λ<1 時(shí),巖體內(nèi)部出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射事件,且主要集中在錨桿周?chē)?當(dāng)λ≥1 時(shí),錨桿周?chē)皫r體四周出現(xiàn)了少量的聲發(fā)射事件,且四周的聲發(fā)射事件分布較為離散。主要原因是:當(dāng)λ<1 時(shí),錨固劑被擠壓破壞后,錨桿與巖樣之間相互擠壓受力,使錨桿周?chē)膸r體出現(xiàn)了一定的裂隙,且裂隙從錨桿周?chē)_(kāi)始向四周發(fā)育;當(dāng)λ≥1 時(shí),巖體承擔(dān)錨桿擠壓的能力有所提升,與λ<1 相比錨桿周?chē)鷰r體出現(xiàn)的裂隙較少。到達(dá)屈服階段后,當(dāng)λ<1 時(shí),巖體內(nèi)部定位的聲發(fā)射事件較少,且主要在巖體周?chē)砻?當(dāng)λ≥1 時(shí),巖體內(nèi)部出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射事件,且主要集中在錨桿周?chē)?。這是因?yàn)?當(dāng)λ<1 時(shí),錨桿出現(xiàn)了變形,使得巖體內(nèi)部裂隙向四周開(kāi)始發(fā)育擴(kuò)展,與之前錨桿周?chē)牧严断嗷ヘ炌?巖體外表面出現(xiàn)了宏觀微裂紋;當(dāng)λ≥1 時(shí),巖體內(nèi)部出現(xiàn)了貫通裂紋,巖體承擔(dān)抗剪力的能力降低,錨桿承擔(dān)主要的剪切力。到達(dá)破壞階段后,在剪切力作用下,3 組巖體試件都出現(xiàn)了不同程度的破壞,在法向應(yīng)力和剪切盒限制下繼續(xù)被剪碎,因此,巖體內(nèi)部還有少量聲發(fā)射事件出現(xiàn)。

4.3 加錨異性結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育類型

不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面的RA與AF值分布如圖9所示。在室內(nèi)直剪試驗(yàn)中,λ<1 與λ>1 的加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射信號(hào)RA值較高于λ=1 的聲發(fā)射信號(hào)值,λ<1、λ=1、λ>1 的AF值集中區(qū)域依次為0～800 kHz,0～600 kHz,0～900 kHz。RA與AF值分布隨時(shí)間的變化可描述不同時(shí)間段巖體內(nèi)部剪切破裂與張拉破裂成分的變化趨勢(shì)。當(dāng)RA較低、AF較高時(shí)對(duì)應(yīng)的是剪切裂隙,RA較高、AF較低時(shí)對(duì)應(yīng)的是張拉裂隙[23-24]。為了更加詳細(xì)地描述加錨異性結(jié)構(gòu)面的直剪破壞機(jī)制,在圖9 的基礎(chǔ)上將各階段剪切—張拉破裂比例計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繪圖,主要處理思路是將AF>300 kHz,RA<0.5 ms/V 的信號(hào)定義為張拉破裂信號(hào)[25]。

圖9 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面RA 與AF 值分布Fig.9 Distribution of RA and AF values of different λ anchored anisotropic structural planes

不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面各階段的剪切—張拉裂隙比例如圖10所示。由圖10 可知:加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切—張拉裂隙占比分布規(guī)律基本一致。壓密階段,3 組巖體內(nèi)部均出現(xiàn)了剪切裂隙高于張拉裂隙現(xiàn)象,表明在剪切力作用下,錨固劑主要發(fā)生剪切破壞。到達(dá)彈性階段后,剪切裂隙所占比例繼續(xù)上升,表明錨固劑在剪切破壞后,錨桿與巖體相互擠壓時(shí)產(chǎn)生的新生裂隙以剪切裂隙為主。到達(dá)屈服階段時(shí),當(dāng)λ<1時(shí),張拉裂隙占比從13.4%上升到16.1%;當(dāng)λ≥1時(shí),張拉裂隙占比分別從11.9%下降到9.4%、從13.3%下降到10.2%。原因是:λ<1 的巖體在剪切力作用下,錨桿發(fā)生變形,巖體周?chē)严断嗷ヘ炌?導(dǎo)致張拉裂隙有一定的上升;λ≥1 的巖體此階段還具有抵抗錨桿擠壓的能力,錨桿變形較小,因此巖體內(nèi)部的剪切裂隙繼續(xù)上升。到達(dá)破壞階段后,巖體內(nèi)部張拉裂隙占比繼續(xù)上升。是因?yàn)閹r體主裂隙附近的次生裂隙繼續(xù)繁衍、擴(kuò)展,導(dǎo)致張拉裂隙有一定的上升。

圖10 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面各階段剪切—張拉裂隙占比Fig.10 Proportion of shear-tension cracks in different stages of λ anchored anisotropic structural planes

在直剪試驗(yàn)中,不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)均產(chǎn)生剪切裂隙。巖體內(nèi)部分布和材料不同,都具有非均質(zhì)性,在荷載作用下,內(nèi)部應(yīng)力重新分布產(chǎn)生剪應(yīng)力。除此之外,在剪切過(guò)程中,巖體還受到法向應(yīng)力與剪切盒影響,導(dǎo)致巖體破損程度較高,在剪切力作用下產(chǎn)生了剪切裂隙。

4.4 加錨異性結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育程度

在基于振幅的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中,最常用的主要有b值統(tǒng)計(jì)。GUTENBERG 和RICHTER 對(duì)b值的首次使用是作為地震學(xué)中震源尺度分析比例的一個(gè)參數(shù),并提出了著名的G-R 關(guān)系式[26]:

式中,M為地震震級(jí);N為M+ΔM范圍內(nèi)的地震次數(shù);a為地震活動(dòng)程度常數(shù);b為地震學(xué)中的b值。

在計(jì)算巖石聲發(fā)射b值時(shí),一般常用聲發(fā)射幅值反映聲發(fā)射事件大小,可利用最大似然法計(jì)算巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射b值,公式為[27]

式中,為平均幅值;Amin為最小幅值。

b值隨著時(shí)間不斷發(fā)生著變化,從而反映巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)展規(guī)律,b值增大,巖樣在外力作用下以小尺度裂隙發(fā)育為主;b值減小,巖樣以大尺度裂隙擴(kuò)展為主。b值變化幅度小的巖樣內(nèi)部裂隙以漸進(jìn)式擴(kuò)展;b值變化幅度大意味著巖樣的突發(fā)式擴(kuò)展。加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射b值計(jì)算過(guò)程中,由于最大似然法在樣本較小時(shí)不太穩(wěn)定,因此本研究每間隔10 000 組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)1 次。不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力與b值隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同λ 加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力與b 值隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Shear stress-b value-time curves of different anchored anisotropic structural planes

由圖11可知:隨著時(shí)間變化,b值較好地反映了不同λ下加錨異性結(jié)構(gòu)面各階段裂隙擴(kuò)展發(fā)育規(guī)律。壓密與彈性階段,加錨異性結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射b值的變化隨著λ增加有著不同的變化規(guī)律,當(dāng)λ<1 時(shí)b值呈現(xiàn)陡峭式的下降;當(dāng)λ≥1 時(shí),b值波動(dòng)相對(duì)較小。說(shuō)明當(dāng)λ<1 時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面內(nèi)部裂隙在發(fā)育、匯聚,形成了大尺度裂隙;當(dāng)λ≥1 時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面內(nèi)部有較少裂紋萌生,緩慢穩(wěn)定地發(fā)育。原因是:當(dāng)λ<1 時(shí),在剪切應(yīng)力作用下,錨固劑發(fā)生了擠壓破壞,錨桿與巖體擠壓處出現(xiàn)了較多的裂隙,之后裂隙不斷匯聚形成了較大尺度的裂隙;當(dāng)λ≥1 時(shí),錨固劑也發(fā)生了擠壓破壞現(xiàn)象,但巖體承受錨桿擠壓的能力提高,錨桿與巖體擠壓時(shí)出現(xiàn)的裂隙較少,處于穩(wěn)定發(fā)育狀態(tài)。到達(dá)屈服階段后,當(dāng)λ<1 時(shí)b值呈現(xiàn)出了較大的波動(dòng);當(dāng)λ≥1 時(shí),b值驟升后立刻驟降。表明當(dāng)λ<1 時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)展發(fā)育;當(dāng)λ≥1 時(shí),加錨異性結(jié)構(gòu)面內(nèi)部先以漸進(jìn)式擴(kuò)展,繼而裂隙擴(kuò)展、匯聚,之后呈突降式大尺度裂隙擴(kuò)展。原因是:當(dāng)λ<1 時(shí),錨桿發(fā)生了變形,巖體在錨桿擠壓力作用下裂隙繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)展;當(dāng)λ≥1時(shí),在剪切力作用下,錨桿發(fā)生了變形,巖體內(nèi)部的小裂隙開(kāi)始匯聚,不斷擴(kuò)展成大尺度裂隙。進(jìn)入破壞階段后,加錨異性結(jié)構(gòu)面b值在波動(dòng)中上升。表明該階段加錨異性結(jié)構(gòu)面內(nèi)部裂隙繼續(xù)呈漸進(jìn)式擴(kuò)展,之后微小裂隙發(fā)育擴(kuò)展形成一條主剪切裂隙,最終在剪切力作用下試塊被剪碎。

5 結(jié)論

在前人成果的基礎(chǔ)上,基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法對(duì)加錨異性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究,探討了加錨異性結(jié)構(gòu)面的剪切特性及破壞特征,分析了不同λ下各階段加錨異性結(jié)構(gòu)面的累計(jì)計(jì)數(shù)變化規(guī)律及裂隙演變過(guò)程。所得結(jié)論如下:

(1)隨著結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度增加,無(wú)錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度不變;加錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度相比無(wú)錨時(shí)平均提高了256.7%,與λ<1 相比,λ=1 與λ>1的加錨異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度分別提高了22.2%和34.2%,加錨異性結(jié)構(gòu)面巖性較弱一側(cè)先發(fā)生破壞,破壞類型依次為剪切破壞、拉剪切破壞、劈裂破壞,且主裂紋的貫通方向與剪切方向基本一致。

(2)加錨異性結(jié)構(gòu)面剪切—位移曲線存在著4個(gè)階段,即加密、彈性、屈服和破壞階段。加密階段,錨固劑出現(xiàn)了破壞及原生裂隙被壓密;彈性階段,錨固劑發(fā)生破壞后巖體與錨桿之間相互擠壓,錨桿周?chē)霈F(xiàn)了裂隙;屈服階段,巖體表面出現(xiàn)了宏觀裂紋,錨桿發(fā)生變形,且承擔(dān)主要的抗剪力;破壞階段,錨桿繼續(xù)發(fā)生變形,巖體被剪碎。

(3)加錨結(jié)構(gòu)面兩側(cè)壁巖強(qiáng)度差異導(dǎo)致其裂隙出現(xiàn)的階段不同:當(dāng)λ<1 時(shí),聲發(fā)射事件主要出現(xiàn)在彈性階段,且主要集中在錨桿周?chē)?當(dāng)λ≥1 時(shí),聲發(fā)射事件主要出現(xiàn)在屈服階段,集中在錨桿周?chē)皫r體四周。

(4)隨著結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)不斷增大,與λ<1 相比較,λ=1 與λ>1 的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)增加了2.4%和62.09%。隨著結(jié)構(gòu)面弱側(cè)壁巖強(qiáng)度增加,加錨異性結(jié)構(gòu)面的裂隙尺度減小:當(dāng)λ<1 時(shí),巖樣呈大尺度剪切裂隙;當(dāng)λ≥1 時(shí),巖樣呈小尺度剪切裂隙。