含走向異面斷續(xù)裂隙巖體破裂行為及裂隙延伸尺寸效應(yīng)研究*

黃 達(dá) 白天宇 鐘 助

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300400,中國(guó))

0 引 言

自然界中的巖體是一種由礦物組成的非均質(zhì)材料,在巖體內(nèi)部隨機(jī)賦存有大量的裂隙、層理、節(jié)理、斷層等多尺度結(jié)構(gòu)面(蔡美峰等,2013),它們對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性的作用。邊坡失穩(wěn)要經(jīng)歷滑移面的孕育、演化、發(fā)展和貫通過(guò)程(張家明,2020)。工程實(shí)踐表明,斷續(xù)結(jié)構(gòu)面在巖體工程內(nèi)比較常見(jiàn),由于其分布的隨機(jī)性導(dǎo)致其相互之間的產(chǎn)狀存在差異,尤其是走向差異會(huì)使得巖橋變成一個(gè)空間異面直線之間的幾何體,導(dǎo)致走向異面斷續(xù)結(jié)構(gòu)面之間的巖橋破裂貫通是一個(gè)復(fù)雜的三維巖石力學(xué)問(wèn)題,且在裂隙延伸方向必然存在顯著的尺寸效應(yīng)。例如,瀾滄江小灣水電站左岸庫(kù)坡的階梯狀滑移就是由于走向異面間巖橋貫通誘發(fā)失穩(wěn)(圖1),由于滑體地處坡表,近似于單向壓縮狀態(tài),因此,宏觀上可簡(jiǎn)化成單軸壓縮下含走向異面斷續(xù)裂隙巖體的地質(zhì)力學(xué)模型。

圖1 小灣水電站左岸庫(kù)坡階梯狀滑移

地質(zhì)災(zāi)害是可認(rèn)識(shí)的,可防治的,眾多學(xué)者對(duì)裂隙巖體的研究一直未曾停歇(劉傳正等,2020)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)三維裂隙巖體開(kāi)展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。Adams et al.(1978)發(fā)現(xiàn),三維裂隙的存在,于自然巖體之中更具有普遍性,因而對(duì)含有內(nèi)置三維裂隙的有機(jī)玻璃試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),得出裂隙擴(kuò)展自裂隙尖端,擴(kuò)展至一定程度后停止,有魚(yú)鰭狀裂紋產(chǎn)生。Wong et al.(2004b)通過(guò)對(duì)PMMA材料開(kāi)展了半圓形三維表面裂紋擴(kuò)展機(jī)制的研究,發(fā)現(xiàn)了花瓣形裂紋且裂紋的破裂模式由裂紋的深度和試樣的厚度共同決定。之后CT掃描技術(shù)在巖土工程的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究中廣泛應(yīng)用(楊圣濤等,2021)。李術(shù)才等(2009)選擇了與前人不同的非透明材料,結(jié)合了CT掃描技術(shù)對(duì)含三維預(yù)制裂隙的陶瓷試樣的單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)一步研究了裂隙的損傷演化過(guò)程。黃明利等(1999,2001,2007)開(kāi)展非單一裂隙的研究,通過(guò)數(shù)值模擬RFPA2D分析了裂隙之間的相互作用,利用樹(shù)脂材料研究了裂隙布置形式與裂隙的幾何參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展模式的影響。付金偉等(2013a,2013b)采用透明樹(shù)脂材料,在低溫下增加材料脆性,使之力學(xué)性質(zhì)更接近巖石,分別對(duì)三維內(nèi)置單裂隙和三維雙裂隙組的試樣開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn),并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬,給出了一些復(fù)雜的三維裂隙形成機(jī)制與清晰的圖片和說(shuō)明。尚黎明等(2015)研究了含有三維內(nèi)置裂隙的紅砂巖在單軸壓縮條件下裂隙尺寸的變化對(duì)巖石裂隙擴(kuò)展、破壞規(guī)律和應(yīng)力分布的影響,提出了試樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的折減程度隨裂隙直徑和張開(kāi)度的增大而增大的規(guī)律。Huang et al.(2021)對(duì)含走向非一致裂隙的3D打印樹(shù)脂試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂隙走向差異較大時(shí),巖橋僅能發(fā)生部分貫通。

由上可以看出,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于三維裂隙巖體破裂的研究是從簡(jiǎn)單的裂紋擴(kuò)展形狀到裂紋擴(kuò)展機(jī)制,從單一裂隙到多裂隙相互影響的不斷深入。但是,目前的研究主要集中于裂隙走向一致的工況,并未涉及裂隙本身空間延伸方向的差異,且少有開(kāi)展內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)面的三維組合模式與試樣尺寸對(duì)巖體力學(xué)行為的綜合影響規(guī)律的探索?；诖?本文開(kāi)展了含走向異面斷續(xù)裂隙類巖石材料的單軸壓縮試驗(yàn),旨在探究三維雙貫通偏轉(zhuǎn)裂隙延伸方向的尺寸大小對(duì)巖體力學(xué)特性、破壞模式及巖橋貫通機(jī)制的影響,以期對(duì)邊坡淺層、礦柱等單向受力狀態(tài)巖體的三維破裂機(jī)制的探究提供借鑒意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)置

本試驗(yàn)研究單軸壓縮下沿著裂隙延伸方向的尺寸變化對(duì)含走向異面的斷續(xù)裂隙巖體破裂行為的影響,采用布置走向異面貫通雙裂隙試樣。

令預(yù)制裂隙長(zhǎng)度l為20mm、傾角θ1為60°; 巖橋長(zhǎng)度L為30mm、傾角θ2為60°; 保持試樣的一個(gè)面尺寸不變(100mm×200mm),沿著裂隙延伸方向的尺寸設(shè)置從75～175mm均分為5組。走向差異角φ包括 0°、15°、30° 3種情況,如圖2、表1所示。

表1 試樣與裂隙的幾何參數(shù)

圖2 試樣制作及幾何尺寸

1.2 走向異面雙裂隙的布置方法

首先在試樣內(nèi)部插入兩條平行裂隙(圖3a),圖中AB、BC及CD分別為下部裂隙2、巖橋與上部裂隙1在試樣厚度方向上的中心線,裂隙2繞其中心軸AB順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度(γ),裂隙1繞其中心線CD逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)相同的角度(圖3b); 通過(guò)以上方式,試樣內(nèi)形成了一對(duì)走向異面斷續(xù)裂隙(圖3c),用兩裂隙偏轉(zhuǎn)之和(2γ)表示裂隙走向差異角φ,巖橋區(qū)域不再是一個(gè)平面,而是上部裂隙1與下部裂隙2之間的空間區(qū)域。

圖3 試樣內(nèi)空間偏轉(zhuǎn)裂隙的布置方法

1.3 試樣制備

試樣中采用的模型材料是由質(zhì)量配比為42.5硅酸鹽水泥︰石英砂︰石膏︰重晶石粉︰水=8︰4︰ 2︰1︰ 4的混合物澆筑而成,在室溫下養(yǎng)護(hù)28d后,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、巴西圓盤劈裂試驗(yàn)和直剪試驗(yàn),獲得的基本力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 試樣的力學(xué)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)裝置

采用中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司生產(chǎn)的巖石雙軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)(ZXB500型)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),采用位移控制的方式,加載速度設(shè)置為0.1mm·min-1。為了降低端部效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,在正式加載開(kāi)始前需對(duì)試樣底部與頂部墊上云母片或者涂抹適量黃油,從而減小試樣與加載裝置之間的摩擦力。另外,設(shè)置預(yù)加載以消除由于加載儀器內(nèi)部存在一定的機(jī)械空隙這些不利因素對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。在啟動(dòng)加載儀器前設(shè)置預(yù)加荷載0.5kN,加載儀器完成預(yù)加載后會(huì)自動(dòng)將荷載與位移數(shù)據(jù)歸零,然后進(jìn)入正式加載過(guò)程。

CT掃描采用河北工業(yè)大學(xué)工業(yè)CT掃描儀,CT掃描的空間分辨率為2 lp·mm-1,密度分辨率為0.4%。分析系統(tǒng)使用的是VGSTUDIO MAX軟件,通過(guò)基于最小二乘法的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x評(píng)估軟件測(cè)試及基于最小區(qū)域法的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)試的體積圖形計(jì)算內(nèi)核,可以對(duì)體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化重構(gòu)與分析。通過(guò)三維重構(gòu)得到體素大小為0.108mm×0.108mm×0.108mm的圖像數(shù)據(jù)。

2 裂紋擴(kuò)展及巖橋貫通模式

2.1 二維切片分析

為了研究裂隙延伸方向一維尺寸對(duì)試樣內(nèi)部的破裂形態(tài)的影響,給出了不同尺寸下(裂隙延伸方向尺寸分別為75mm、100mm、125mm、150mm、175mm)不同走向差異角(0°、15°、30°)的試樣在單軸壓縮試驗(yàn)下的破壞圖像,分別截取了試樣的前面、中面、后面的CT圖像進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。

表3 不同裂隙延伸尺寸和走向差異角試樣的破裂形態(tài)

試樣在荷載的作用下,在預(yù)制裂隙的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,由此,新生裂隙首先在預(yù)制裂隙的尖端部位產(chǎn)生。當(dāng)試樣的裂隙走向差異角為0°時(shí),新生裂紋自預(yù)制裂隙尖端開(kāi)展,分別向內(nèi)、外兩個(gè)方向延伸。預(yù)制裂隙外端裂紋沿著荷載施加的方向試樣的上下邊緣延伸發(fā)展,形成翼裂紋,最終造成試樣破壞; 上部裂隙與下部裂隙內(nèi)端的裂紋擴(kuò)展相交匯,在巖橋部分完全貫通,巖橋區(qū)域?yàn)槊黠@的剪切破壞。當(dāng)試樣的裂隙走向差異角為15°時(shí),預(yù)制裂隙的外端仍然為沿荷載方向擴(kuò)展的翼裂紋延伸至破壞,試樣前面的兩條預(yù)制裂隙仍然為內(nèi)端的裂紋開(kāi)展延伸并于巖橋區(qū)域發(fā)生貫通,但巖橋區(qū)域?yàn)閮蛇吋糁虚g拉的拉剪復(fù)合破壞; 試樣中面的巖橋區(qū)域隨著裂隙延伸方向尺寸的增大變得不同,當(dāng)裂隙延伸方向尺寸為75～125mm時(shí),巖橋區(qū)域仍然為拉剪復(fù)合貫通,但是增加到150mm以后,預(yù)制裂隙內(nèi)端的裂紋開(kāi)展先是沿著荷載方向延伸很小一段后開(kāi)始向臨近的側(cè)面彎曲,巖橋區(qū)域不再貫通; 試樣后面預(yù)制裂隙內(nèi)端的裂紋開(kāi)展先是沿著荷載方向延伸很小一段后開(kāi)始向側(cè)面彎曲,巖橋區(qū)域均未發(fā)生貫通。當(dāng)試樣的裂隙走向差異角為30°時(shí),試樣前面的巖橋區(qū)域貫通模式有了新的變化,當(dāng)尺寸在75mm、100mm時(shí),裂隙貫通模式還是由兩個(gè)預(yù)制裂隙的內(nèi)端擴(kuò)展到交匯貫通的拉剪復(fù)合貫通; 等尺寸增大到125mm時(shí),變?yōu)樯喜苛严兜膬?nèi)端沿著荷載方向延伸后與下部裂隙的外端的裂紋貫通的張拉貫通; 尺寸進(jìn)一步增大到150mm與175mm時(shí),發(fā)展成為上部裂隙的內(nèi)端與下部裂隙的外端、上部裂隙外端與下部裂隙內(nèi)端擴(kuò)展裂紋交匯貫通的雙貫通模式。試樣中面與走向差異角為15°時(shí)類似; 試樣后面仍然為完全不貫通。在裂隙的走向偏轉(zhuǎn)角的影響下,隨著裂隙延伸方向尺寸的增加,兩條預(yù)制裂隙在越接近試樣前面時(shí)的距離越來(lái)越近,在接近試樣后面時(shí)距離越來(lái)越遠(yuǎn),試樣裂隙結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)一步增大,整個(gè)試樣的幾何不對(duì)稱性更大。試樣前面巖橋區(qū)域的貫通模式為:剪切型貫通→拉剪復(fù)合型貫通→受拉型貫通→復(fù)合型雙貫通。整個(gè)試樣以試樣中面為基準(zhǔn)面向兩側(cè)延伸,結(jié)合不同尺寸下試樣中面的貫通情況可以看出,隨著裂紋深度的增加,次生裂紋變多,兩裂隙內(nèi)部尖端搭接的張拉裂紋逐漸消失,最終巖橋不貫通。試樣后面則為預(yù)制裂隙尖端沿荷載方向分別擴(kuò)展,由翼裂紋或者次生裂紋貫通至上下底面。通過(guò)不同尺寸、不同走向偏轉(zhuǎn)角試樣內(nèi)部的試樣裂紋擴(kuò)展圖可以看出,隨著尺寸與走向差異角的增大,巖橋貫通區(qū)的張拉破裂元素越來(lái)越明顯。

2.2 巖橋貫通模式

巖橋是走向異面斷續(xù)裂隙階梯狀滑移邊坡穩(wěn)定的重要因素。綜合上述分析,我們可以歸納出巖橋的貫通模式與裂隙延伸尺寸及走向差異角之間的關(guān)系,其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 巖橋的貫通模式歸納

圖5 巖橋區(qū)域裂隙貫通模式

巖橋區(qū)域的貫通模式受裂隙延伸尺寸與走向差異角兩個(gè)因素的影響。在走向差異角為0°時(shí),巖橋區(qū)域的貫通為完全單破裂面貫通,破裂面為剪切的平直面; 隨著裂隙延伸尺寸的增加,巖橋區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力,從純剪切貫通的平直面到拉-剪貫通的凹折面又到拉-剪貫通的“S”形曲面,巖橋區(qū)域的受拉元素增加。當(dāng)走向差異角為15°時(shí),巖橋區(qū)域由完全貫通變?yōu)椴糠重炌?走向差異角增加了試樣的不對(duì)稱性,巖橋區(qū)域除了有張拉、剪切破裂之外,還因預(yù)制裂隙的空間不對(duì)稱性,出現(xiàn)了撕裂變形,為I-Ⅱ-Ⅲ復(fù)合型破裂。當(dāng)走向差異角增大到30°,巖橋區(qū)域?yàn)椴糠重炌?且貫通部分相較于15°有小幅度減少,且曲面的翹曲程度在增大,隨著裂隙延伸尺寸的增大,巖橋區(qū)域由上部裂隙與下部裂隙的內(nèi)端擴(kuò)展相連的單貫通,轉(zhuǎn)化為上部裂隙的內(nèi)端、外端的擴(kuò)展裂紋分別與下部裂隙的外端、內(nèi)端的擴(kuò)展裂紋相連接的雙貫通?？偨Y(jié)以上規(guī)律得出:(1)隨著裂隙的延伸尺寸的增大,巖橋區(qū)域的貫通受拉元素增加。(2)隨著裂隙走向差異角的增大,巖橋區(qū)域貫通率減小,貫通面翹曲程度增大。

3 巖體力學(xué)特性

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了分析含走向異面斷續(xù)裂隙巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,取走向差異角φ為30°,沿裂隙延伸(厚度)方向的尺寸為75mm、100mm、125mm、150mm、175mm的5個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為代表進(jìn)行分析(圖6)。

圖6 典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可知試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體上趨勢(shì)相似,試樣的壓縮受力變形過(guò)程共分5個(gè)階段:微裂隙壓密階段(oa段)、彈性變形階段(ab段)、起裂和擴(kuò)展階段(bc段)、裂紋加速擴(kuò)展及次生裂紋萌生階段(cd段)和破壞階段(de段)。與二維裂隙巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線最大不同之處,是曲線在cd段到達(dá)峰值后并沒(méi)有迅速下降,而是出現(xiàn)了一段緩慢下降區(qū)段。

3.2 峰值強(qiáng)度

圖7擬合出了裂隙延伸尺寸與走向差異角對(duì)試樣峰值強(qiáng)度的影響曲面。目前的研究普遍認(rèn)同,在單軸壓縮下,巖石的強(qiáng)度會(huì)隨著尺寸的增大而減小(楊圣奇等,2002)。但是于本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,預(yù)制偏轉(zhuǎn)貫通雙裂隙試樣的尺寸效應(yīng)要更加復(fù)雜。

當(dāng)裂隙走向偏轉(zhuǎn)角一定時(shí),觀察尺寸效應(yīng)對(duì)試樣峰值強(qiáng)度的影響。在裂隙走向偏轉(zhuǎn)角為0°情況下,隨著裂隙延伸的尺寸增大,試樣的峰值強(qiáng)度整體呈減小的趨勢(shì),先陡降,在裂隙延伸尺寸達(dá)到125mm后下降趨勢(shì)趨于平緩。隨著裂隙延伸尺寸增大,相對(duì)于整個(gè)試樣,裂隙面積在增大,缺陷變大,試樣整體強(qiáng)度降低。但是隨著裂隙延伸尺寸的增大,試樣的厚度也在增大,整個(gè)試樣的受力狀態(tài)逐漸趨于三向應(yīng)力狀態(tài),因而試樣強(qiáng)度的下降開(kāi)始趨于平緩。在裂隙走向偏轉(zhuǎn)角為15°情況下,峰值強(qiáng)度呈非常平緩的先減小后增大又減小的趨勢(shì),走向偏轉(zhuǎn)角使試樣的整體不對(duì)稱性增大,并且不對(duì)稱性在隨著尺寸的增大也在增大,尺寸在100mm及以前不對(duì)稱性的影響還不是很明顯,此時(shí)由于尺寸的增大造成的缺陷增大仍然是峰值強(qiáng)度減小的主要原因。隨著尺寸的繼續(xù)增加達(dá)到125mm,缺陷的削弱效應(yīng)對(duì)試樣峰值強(qiáng)度的影響變小,不對(duì)稱性對(duì)峰值強(qiáng)度的增強(qiáng)作用開(kāi)始顯現(xiàn),所以強(qiáng)度有所增加。但隨著尺寸的繼續(xù)增加,不對(duì)稱性對(duì)峰值強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)不再明顯。在裂隙走向偏轉(zhuǎn)角為30°情況下,峰值強(qiáng)度呈明顯的增大,在尺寸達(dá)到100mm時(shí)后緩緩減小的趨勢(shì)。這是由于走向偏轉(zhuǎn)角的增大使不對(duì)稱性的增大效應(yīng)提前。

通過(guò)上述現(xiàn)象可知,試樣的峰值強(qiáng)度受裂隙延伸尺寸和走向差異角的雙重作用的影響,裂隙延伸尺寸對(duì)試樣的峰值強(qiáng)度有削弱效應(yīng),但此削弱效應(yīng)會(huì)隨著尺寸的增大逐漸減小; 裂隙的走向差異角的影響更加復(fù)雜,走向差異角通過(guò)影響試樣的整體不對(duì)稱性來(lái)間接影響試樣的峰值強(qiáng)度,走向差異角一定時(shí),整體試樣的不對(duì)稱性隨著裂隙延伸尺寸的增大而增大,裂隙延伸尺寸一定時(shí),試樣的不對(duì)稱性隨著走向差異角的增大而增大。試樣的不對(duì)稱性對(duì)試樣的峰值強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)效應(yīng)。

3.3 彈性模量

彈性模量可以有效的衡量抵抗彈性變形能力的大小。圖8擬合出了裂隙延伸尺寸與走向差異角對(duì)試樣彈性模量的影響曲面?？梢悦黠@看出,彈性模量隨裂隙延伸尺寸與走向差異角的變化趨勢(shì)與峰值強(qiáng)度的變化趨勢(shì)出現(xiàn)驚人的一致性。裂隙延伸尺寸的增大對(duì)彈性模量有一定的削弱作用,但同時(shí)走向差異角帶來(lái)的三維非對(duì)稱性提高整體試樣的剛度,尺寸效應(yīng)又對(duì)走向差異角所帶來(lái)的三維非對(duì)稱性有線性增強(qiáng),進(jìn)一步對(duì)試樣的彈性模量產(chǎn)生二次效應(yīng)。因此,在走向差異角為0°時(shí),彈性模量為簡(jiǎn)單的下降趨勢(shì); 隨著走向差異角增大至15°時(shí),彈性模量先緩緩下降后慢慢上升; 繼續(xù)增大走向差異角到30°,彈性模量受三維不對(duì)稱性的作用效應(yīng)被提前,因此下降段不再顯現(xiàn),而是先緩緩增加。隨著尺寸的繼續(xù)增大,超過(guò)125mm之后,尺寸效應(yīng)的削弱作用大大減小,走向偏轉(zhuǎn)角的作用顯現(xiàn),試樣的彈性模量隨著走向偏轉(zhuǎn)角的增大而增大。

圖8 巖橋傾角和走向差異角對(duì)彈性模量的綜合影響

3.4 塑性指標(biāo)

塑性變形反映了試樣裂紋的擴(kuò)展和破壞,其大小可為實(shí)際工程的預(yù)警及搶修提供參考借鑒。本試驗(yàn)是位移控制加載,位移與時(shí)間成正比,此處定義一個(gè)塑性指標(biāo)ηp,塑性指標(biāo)為巖石塑性應(yīng)變占總應(yīng)變的比值,通過(guò)分析巖橋傾角和走向差異角對(duì)試樣塑性指標(biāo)的影響規(guī)律,來(lái)分析試樣的幾何構(gòu)造對(duì)巖體塑性強(qiáng)弱的影響。

(1)

式中:εc為壓密變形;εe為彈性變形;εp為塑性變形。根據(jù)式(1)提出的塑性指標(biāo),通過(guò)對(duì)所有應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行提取,得到了巖橋傾角和走向差異角對(duì)試樣塑性變形的綜合影響曲面,如圖9所示。曲面整體上呈現(xiàn)出左右凹陷右中部凸起的形態(tài)。在裂隙走向差異角為0°時(shí),隨著裂隙延伸尺寸的增加,試樣的塑性指標(biāo)呈現(xiàn)緩緩下降的趨勢(shì),這是由于隨著尺寸的增大,整個(gè)試樣的體積增大,內(nèi)部缺陷增多,塑性降低。裂隙走向差異角為15°時(shí),試樣的塑性指標(biāo)隨著尺寸的增加先增大,在尺寸到達(dá)125mm達(dá)到頂峰,接著開(kāi)始下降,裂隙的走向偏轉(zhuǎn)角增大了整個(gè)試樣的三維不對(duì)稱性,在一定程度上增強(qiáng)了試樣的塑性,且此增強(qiáng)效應(yīng)在尺寸為125mm處達(dá)到最大,隨著尺寸繼續(xù)增大,這個(gè)增強(qiáng)效應(yīng)逐漸減小。裂隙走向差異角為30°時(shí)試樣的塑性指標(biāo)的變化趨勢(shì)與走向差異角為15°時(shí)趨勢(shì)類似,但是塑性指標(biāo)的增幅更大。這是由于走向差異角使效應(yīng)增幅更加明顯。值得一提的是,此時(shí)塑性指標(biāo)的峰值在延伸尺寸到達(dá)125mm之前,此增幅效應(yīng)相較于走向差異角為15°有一定的提前。

4 討 論

巖石塊體失穩(wěn)滑落是巖體工程邊坡中的常見(jiàn)現(xiàn)象,而上、下結(jié)構(gòu)面間巖橋區(qū)域的貫通模式對(duì)其有著直接影響。圖10中根據(jù)3種巖橋區(qū)域貫通模式總結(jié)出3種邊坡巖石塊體滑落模型。當(dāng)巖橋區(qū)域完全貫通時(shí),上、下結(jié)構(gòu)面由巖橋區(qū)域的貫通面相連,形成一個(gè)整體的塊體,在重力以及其他擾動(dòng)作用下,整個(gè)塊體將會(huì)失穩(wěn)滑落; 當(dāng)巖橋區(qū)與為部分單貫通時(shí),下部結(jié)構(gòu)面裂紋擴(kuò)展形成獨(dú)立的塊體,當(dāng)下部結(jié)構(gòu)面塊體失穩(wěn)滑落后,上部結(jié)構(gòu)面因下部結(jié)構(gòu)面塊體的滑落失去支撐而造成二次滑落; 當(dāng)巖橋區(qū)域?yàn)椴糠蛛p貫通時(shí),下部結(jié)構(gòu)面塊體失穩(wěn)滑落后,上部結(jié)構(gòu)面雖有裂隙延伸卻未生成新的塊體,進(jìn)而保持相對(duì)穩(wěn)定。巖體裂隙的三維擴(kuò)展形態(tài)和巖橋區(qū)域的貫通模式可為巖體工程設(shè)計(jì)提供參考和啟示。

圖10 邊坡巖石塊體滑落模型

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)不同裂隙延伸尺寸下含走向異面斷續(xù)裂隙巖體開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn),探究了裂隙延伸尺寸和裂隙走向差異角對(duì)試樣破壞模式、巖橋貫通機(jī)制及巖體力學(xué)特性的影響,得到了以下主要結(jié)論:

(1)三維偏轉(zhuǎn)裂隙的巖體與二維裂隙巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有很大區(qū)別,該曲線在到達(dá)峰值后并沒(méi)有迅速下降,而是經(jīng)歷了一段緩慢下降區(qū)。

(2)試樣巖橋以外區(qū)域主要由預(yù)制裂隙端部裂紋沿著荷載的方向擴(kuò)展形成的翼裂紋或反翼裂紋,最終引起試樣破裂,巖橋區(qū)域的破裂模式受裂隙延伸尺寸和走向差異角綜合影響,裂隙延伸尺寸的增加會(huì)使巖橋區(qū)域受拉元素增加,走向差異角的出現(xiàn),減小了巖橋的貫通率,并且走向差異角的增大使巖橋區(qū)域貫通面的翹曲程度增大。

(3)走向差異角與裂隙延伸共同造成試樣的整體三維不對(duì)稱性,進(jìn)一步影響了試樣的峰值強(qiáng)度、彈性模量以及塑性。峰值強(qiáng)度和彈性模量在裂隙延伸尺寸為100mm達(dá)到最小,后隨著裂隙延伸方向尺寸的增大,變化趨于平緩。試樣的塑性隨著裂隙延伸尺寸的增加呈現(xiàn)先增大后減小的拱形,且在尺寸為125mm達(dá)到峰值。