動(dòng)荷載作用下不同應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂特性

朱建波, 畢 碩, 孫家鑫, 暴偉越, 廖志毅, 王 鑰

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300350; 2.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518060; 3.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院, 廣東 深圳 518060; 4.大連理工大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究所, 遼寧 大連 116081)

煤礦巷道經(jīng)常受到礦震、爆破、機(jī)械振動(dòng)等動(dòng)荷載的影響[1–3],動(dòng)荷載以應(yīng)力波的形式在巷道圍巖內(nèi)傳播, 當(dāng)應(yīng)力波傳播至巷道表面時(shí), 產(chǎn)生反射現(xiàn)象, 由入射波與反射波疊加產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波會(huì)使巷道表面圍巖產(chǎn)生層裂破壞[4–5]。同時(shí), 結(jié)構(gòu)面也會(huì)使圍巖內(nèi)應(yīng)力波產(chǎn)生透射和反射, 結(jié)構(gòu)面的拉伸力學(xué)特性在層裂破壞中也起著重要作用[6], 因此煤礦巷道的動(dòng)力響應(yīng)頗為復(fù)雜[7]。

在復(fù)雜的地質(zhì)活動(dòng)下, 圍巖內(nèi)會(huì)形成波阻抗與巖體相近的結(jié)構(gòu)面, 這類結(jié)構(gòu)面節(jié)理剛度和密度較高, 可以近似認(rèn)為在應(yīng)力波穿過這類結(jié)構(gòu)面時(shí)完全透射[8–9], 筆者將此類結(jié)構(gòu)面定義為“高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面”, 將應(yīng)力波無法完全透射的結(jié)構(gòu)面定義為“低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面”。含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖由于高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面特殊的無反射特性使其力學(xué)響應(yīng)不同于含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖, 在破壞模式上也表現(xiàn)出顯著的差異性。因此, 開展動(dòng)力擾動(dòng)作用下的含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖破壞特征研究對(duì)維護(hù)煤礦巷道的穩(wěn)定性具有重要意義。

目前, 動(dòng)荷載作用下含結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)力響應(yīng)及圍巖層裂特性研究, 主要集中在理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究等3個(gè)方面。理論研究方面,李夕兵等[10]對(duì)半正弦波入射下巖石自由面附近發(fā)生的入射波、反射波相互作用進(jìn)行了理論推導(dǎo), 分析了巖石層裂破壞特性; 占學(xué)軍等[11]分析了矩形、三角形和指數(shù)衰減三角形脈沖荷載下的層裂現(xiàn)象,并對(duì)層裂厚度進(jìn)行了理論推導(dǎo); ZHU等[12–13]研究了應(yīng)力波入射含黏彈性節(jié)理面、斷續(xù)節(jié)理面巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性, 并推導(dǎo)出了相關(guān)的解析解。

現(xiàn)有試驗(yàn)研究主要集中于利用霍普金森壓桿(SHPB)裝置對(duì)含缺陷巖體和混凝土試樣展開的沖擊破壞試驗(yàn)。卞梁等[14]基于SHPB試驗(yàn)裝置研究了損傷和應(yīng)變率對(duì)混凝土層裂強(qiáng)度的影響, 發(fā)現(xiàn)層裂強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng); 邱加冬等[15]利用SHPB裝置分別對(duì)有無預(yù)制缺陷的花崗巖試樣進(jìn)行了層裂破壞特性的研究, 研究結(jié)果表明預(yù)制缺陷會(huì)影響初始層裂破壞位置, 且反射拉伸波上升沿越長時(shí), 初始層裂破壞越可能出現(xiàn)在預(yù)制缺陷處; TAO等[16]使用SHPB裝置研究了含預(yù)制孔洞巖樣的動(dòng)態(tài)拉伸破壞過程, 過程中圓孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 研究發(fā)現(xiàn)巖樣破壞是靜應(yīng)力集中和動(dòng)應(yīng)力集中共同作用的結(jié)果。目前, 關(guān)于巖體試驗(yàn)的研究大多針對(duì)完整、含孔洞或含預(yù)制缺陷巖體受動(dòng)力荷載作用下的破壞特征, 鮮有關(guān)于含結(jié)構(gòu)面圍巖破壞模式的研究。

由于受試驗(yàn)材料制備的限制, 國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬軟件開展了巖體受荷破壞的研究。左宇軍等[17]通過基于細(xì)觀損傷力學(xué)開發(fā)的RFPA2D分析系統(tǒng), 研究了不同自由面情況下沖擊載荷對(duì)巖石層裂過程的影響; 張曉春[18]、盧愛紅等[19]通過數(shù)值模擬的方法研究了動(dòng)力擾動(dòng)作用下, 應(yīng)力波強(qiáng)度、巷道埋深和巖體物理性質(zhì)等因素對(duì)圍巖層裂特性的影響; TAO等[20]對(duì)含有橢圓形孔洞的地下硐室圍巖進(jìn)行了一維簡化, 研究了硐室在動(dòng)態(tài)荷載下的層裂破壞過程; 廖志毅等[21]采用數(shù)值模擬方法模擬了動(dòng)荷載擾動(dòng)下含結(jié)構(gòu)面的地下硐室, 研究了結(jié)構(gòu)面對(duì)于地下硐室層裂破壞和應(yīng)力波傳播的影響; NIU等[22]對(duì)不同頻率和不同幅值下的1/4半正弦應(yīng)力波作用在不同長度青砂巖桿的層裂破壞進(jìn)行了模擬研究; XU[23], ZHAO等[24]通過模擬的方法分別研究了混凝土、砂巖為硐室材料時(shí), 硐室圍巖在不同結(jié)構(gòu)條件和不同荷載類型下的層裂破壞情況; WANG等[25]通過自定義子程序的方法將巖石的連續(xù)損傷本構(gòu)模型引入數(shù)值模擬軟件模擬了動(dòng)荷載作用下巖石的層裂過程。上述研究多集中于完整圍巖或含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖在動(dòng)力擾動(dòng)作用下巖體性質(zhì)以及動(dòng)荷載參數(shù)對(duì)圍巖層裂破壞特征的影響, 鮮有含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂破壞特征的相關(guān)研究, 難以滿足工程問題的需要。

因此, 筆者圍繞動(dòng)荷載擾動(dòng)下, 含高、低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面巷道圍巖層裂破壞這一科學(xué)問題,分別開展了含有不同抗拉強(qiáng)度的低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖試樣室內(nèi)動(dòng)載試驗(yàn)、和含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂破壞數(shù)值模擬試驗(yàn)。基于ABAUQS/Explicit, 建立了動(dòng)載擾動(dòng)下含Cohesive單元的低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂破壞的數(shù)值模型, 對(duì)模擬結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上, 建立含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面的數(shù)值模型, 分析應(yīng)力波作用下結(jié)構(gòu)面位置、結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力波幅值對(duì)巷道圍巖層裂破壞特征的影響規(guī)律。研究成果可為煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要研究受動(dòng)荷載擾動(dòng)下含結(jié)構(gòu)面圍巖的層裂破壞規(guī)律。試驗(yàn)材料選用均質(zhì)性較好、地下工程常見的青砂巖, 產(chǎn)自四川省內(nèi)江市隆昌市,材料物理參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)材料及其基本物理參數(shù)Table 1 Test materials and basic parameters

青砂巖試樣材質(zhì)較均勻、無明顯層理, 為長方體桿件, 其桿徑為35 mm×35 mm, 長度為1 000 mm,如圖1所示。試樣兩個(gè)端面需要經(jīng)過垂直打磨, 使兩端面的不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。同時(shí), 將兩個(gè)端面的光滑程度控制在一定范圍內(nèi), 以此來減小入射桿/透射桿和巖石試樣之間的摩擦力,從而避免試樣橫向的不均勻形變。距離加載段每隔200 mm布置一個(gè)測點(diǎn), 共布置4個(gè)測點(diǎn), 如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試樣Fig.1 Test specimens

因含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖制備難度較大, 室內(nèi)試驗(yàn)研究對(duì)象只限低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖, 并將試驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)值模型驗(yàn)證的依據(jù)。實(shí)際工程中常用工程膠、云石膠等作為圍巖加固材料, 圍巖加固后也會(huì)形成類結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu), 因此針對(duì)結(jié)構(gòu)面不同抗拉強(qiáng)度的研究條件, 筆者選取具有黏性的石膏、云石膠和工程膠作為巖體中不同抗拉強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面材料。

軟弱結(jié)構(gòu)面位置位于長方體試樣正中心處, 結(jié)構(gòu)面的制備過程為: 首先將左右兩根巖石桿端部進(jìn)行打磨, 使其平整度滿足規(guī)范要求; 然后將兩根巖石桿放置于水平平臺(tái)之上, 調(diào)整兩桿的水平位置和前后相對(duì)位置使其處于同一直線上, 預(yù)留3 mm間隙用于澆筑結(jié)構(gòu)面材料; 固定好兩桿的位置后, 使用納米膠帶將其四周緊密纏繞, 并對(duì)巖石邊角處施加一定的力使納米膠帶與巖石之間緊密接觸, 防止?jié)仓^程中結(jié)構(gòu)面材料在凝固之前從縫隙流出, 如圖2(a)所示; 由納米膠帶頂部預(yù)留的孔隙中澆筑結(jié)構(gòu)面材料, 并在澆筑過程中用干凈的細(xì)鐵絲對(duì)其進(jìn)行持續(xù)攪拌, 保證結(jié)構(gòu)面材料的凝結(jié)過程中不產(chǎn)生氣泡從而影響其均質(zhì)性; 當(dāng)結(jié)構(gòu)面材料從預(yù)留孔隙中流出時(shí), 停止?jié)仓? 待結(jié)構(gòu)面材料終凝后(1 h),拆除納米膠帶, 并用砂紙打磨結(jié)構(gòu)面至平整后備用, 最終結(jié)構(gòu)面效果如圖2(b)所示。不同結(jié)構(gòu)面材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度通過室內(nèi)巴西劈裂試驗(yàn)測得, 試樣制備如圖2(c)所示。

圖2 結(jié)構(gòu)面制備示意Fig.2 Schematic diagram of structural surface preparation

試驗(yàn)裝置為分離式霍普金森壓桿, 試驗(yàn)裝置如圖3所示。其中入射桿為圓柱型硅錳鋼桿, 桿徑為50 mm, 長度為3 000 mm。入射子彈為同材質(zhì)的圓柱型鋼錠, 直徑為50 mm, 長度為100 mm。鋼桿的彈性模量為211 GPa, 密度為7 652 kg/m3, 縱波波速為5 201 m/s。試驗(yàn)中采用直徑為13 mm, 厚度為1.5 mm的黃銅圓片作為波形整形器, 用于消除應(yīng)力波的彌散效應(yīng)。

2 不同結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度影響規(guī)律

結(jié)構(gòu)面的不同組分使其整體力學(xué)性能和界面兩端黏結(jié)性能產(chǎn)生較大差異。筆者通過界面無填充、石膏填充、云石膠填充和工程膠填充等4種工況來說明結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的變化。結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度通過室內(nèi)巴西劈裂試驗(yàn)測得, 分別測得石膏、云石膠和工程膠作為填充材料時(shí)圓盤試樣的巴西劈裂強(qiáng)度σK為3.0, 4.9, 6.8 MPa。可知工程膠充填結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度明顯高于石膏和云石膠填充。

完整砂巖桿及不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度砂巖桿的層裂破壞試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示, 應(yīng)力波從長方體試樣右端進(jìn)入, 結(jié)構(gòu)面均距離自由端500 mm, 位于長方體試樣中心處。

圖4 不同結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度時(shí)巖石桿破壞結(jié)果Fig.4 Failure results of rock rods with different tensile strengths of structural planes

當(dāng)結(jié)構(gòu)面材質(zhì)為無填充、石膏和云石膠填充時(shí), 砂巖桿在應(yīng)力波的作用下, 桿件中部的結(jié)構(gòu)面先發(fā)生破壞, 隨后靠近自由端處的巖石發(fā)生層裂破壞。由于結(jié)構(gòu)面處強(qiáng)度較低, 在經(jīng)歷第1段軸向壓縮波時(shí), 結(jié)構(gòu)面界面先發(fā)生破壞, 隨后砂巖桿自由端發(fā)生拉伸破壞。當(dāng)使用力學(xué)性能較好的工程膠填充結(jié)構(gòu)面時(shí), 結(jié)構(gòu)面在相同峰值的第1段壓縮波作用下未發(fā)生破壞, 僅靠近自由端處的巖石發(fā)生層裂破壞。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中的結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度、層裂體長度(自由端到發(fā)生層裂破壞位置的長度)和4號(hào)測點(diǎn)拉伸應(yīng)力幅值進(jìn)行總結(jié), 繪制3者的變化趨勢圖,如圖5所示。由圖5可知, 相較于無充填結(jié)構(gòu)面, 當(dāng)結(jié)構(gòu)面材質(zhì)為石膏時(shí), 結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度提高至3 MPa, 測點(diǎn)拉伸應(yīng)力提高了1.9%, 層裂體長度縮短了16.0%; 當(dāng)結(jié)構(gòu)面材質(zhì)為云石膠時(shí), 結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度提高至4.9 MPa, 拉伸應(yīng)力提高了15.0%, 層裂體長度縮短了31.4%; 應(yīng)力波幅值相同時(shí), 結(jié)構(gòu)面先發(fā)生破壞。隨著結(jié)構(gòu)面抗拉伸強(qiáng)度的增加, 靠近自由端處4號(hào)測點(diǎn)拉伸應(yīng)力逐漸增加, 層裂體長度逐漸縮短。當(dāng)工程膠填充結(jié)構(gòu)面時(shí), 結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度提高至6.8 MPa, 結(jié)構(gòu)面不發(fā)生破壞, 4號(hào)測點(diǎn)拉伸應(yīng)力處于較高水平, 層裂體長度為16.4 cm。

圖5 應(yīng)力波幅值、層裂體長度與不同結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Relationship between stress wave amplitude, spall thickness and tensile strength of different structural planes

3 數(shù)值模擬

工程模擬有限元軟件ABAQUS/Explicit在處理非線性動(dòng)力學(xué)問題時(shí)能夠詳細(xì)展現(xiàn)破壞過程, 精確反映材料破壞前的應(yīng)力–應(yīng)變狀態(tài), 且其內(nèi)置的Cohesive單元可以用來模擬兩個(gè)單元之間的黏合行為、不同種材料之間的界面黏結(jié)行為和界面的完整性等。筆者通過在圍巖模型中批量插入Cohesive單元對(duì)含高應(yīng)力透射性巷道圍巖在動(dòng)荷載影響下的拉伸破壞行為進(jìn)行模擬。

利用分離式霍普金森壓桿裝置和ABAQUS/Explicit軟件研究巖石受動(dòng)荷載影響下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)破壞過程。

3.1 數(shù)值模型建立

基于ABAQUS有限元軟件, 建立動(dòng)力擾動(dòng)作用下巖石層裂破壞的數(shù)值模擬模型, 設(shè)置模型左側(cè)為加載端, 右側(cè)為自由端。鑒于筆者側(cè)重于探究一維應(yīng)力波作用下巖石的層裂破壞過程, 為增加計(jì)算效率, 將模型簡化為二維平面結(jié)構(gòu), 模型尺寸為35.3 mm×1 000 mm, 單元數(shù)3 946個(gè)。

建立含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面的圍巖模型, 需分3部分進(jìn)行建模, 分別為兩段500 mm的圍巖模型與一段3 mm的結(jié)構(gòu)面模型, 并分別設(shè)置兩段圍巖與結(jié)構(gòu)面之間的接觸方式。面與面之間的接觸考慮采用通用接觸(General Contact), 對(duì)于圍巖與結(jié)構(gòu)面之間的接觸, 考慮到其易發(fā)生受拉破壞, 在接觸屬性中添加了Cohesive單元行為以及損傷演化準(zhǔn)則。

完整巷道圍巖和含結(jié)構(gòu)面圍巖數(shù)值模型如圖6(a), (b)所示, 與驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢? 圍巖材料和結(jié)構(gòu)面材料參數(shù)及Cohesive參數(shù)設(shè)定見表2。

圖6 數(shù)值模型示意Fig.6 Schematic diagram of numerical model

表2 Cohesive單元基本參數(shù)設(shè)定Table 2 Basic parameter setting of Cohesive unit

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)上述過程建立基于分離式霍普金森壓桿裝置的二維圍巖數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真, 通過對(duì)比完整圍巖和含結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞過程和應(yīng)力波幅值等參數(shù)驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性。

在進(jìn)行模型驗(yàn)證時(shí), 巖樣加載端處的入射波形特征與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致, 波形如圖7所示。通過對(duì)完整圍巖和低透射性結(jié)構(gòu)面圍巖數(shù)值和物理試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比, 驗(yàn)證模擬試驗(yàn)圍巖材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)面材料參數(shù)、Cohesive單元參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖7 加載應(yīng)力波波形Fig.7 Waveform diagram of loading stress wave

3.2.1 完整圍巖驗(yàn)證

筆者首先通過對(duì)比完整圍巖的數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)數(shù)值模型和圍巖材料設(shè)置的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。選取試驗(yàn)過程中圍巖的4號(hào)測點(diǎn)(距自由端200 mm處)與數(shù)值模型中相同位置拉伸應(yīng)力波進(jìn)行比較, 以此驗(yàn)證數(shù)值模型層裂破壞過程和模型參數(shù)設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性。兩者的層裂破壞結(jié)果和4號(hào)測點(diǎn)拉伸應(yīng)力波對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 完整巷道圍巖動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Dynamic test and numerical simulation results of surrounding rock of complete tunnel

3.2.2 含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖驗(yàn)證

在驗(yàn)證完整圍巖模型參數(shù)合理的基礎(chǔ)上, 通過對(duì)比含低應(yīng)力波透射型結(jié)構(gòu)面模型模擬破壞過程,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)面參數(shù)設(shè)置的合理性。選取石膏填充材料作為含低應(yīng)力波透射型模型中結(jié)構(gòu)面材料對(duì)比分析, 結(jié)構(gòu)面位置與試驗(yàn)保持一致, 位于桿件中心處, 同樣選取距自由端200 mm處4號(hào)測點(diǎn)的應(yīng)力波對(duì)比分析, 室內(nèi)試驗(yàn)和模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 含結(jié)構(gòu)面巷道圍巖動(dòng)力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Dynamic test and numerical simulation results of surrounding rock of cavern with structural plane

由圖9可知, 含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)發(fā)生層裂破壞的位置與在數(shù)值模擬時(shí)相同, 均距離自由端22 cm。由圖9(c)可知, 室內(nèi)與模擬試驗(yàn)在4號(hào)測點(diǎn)拉伸應(yīng)力波幅值誤差在15%以內(nèi), 波形變化趨勢大致相同, 故可以認(rèn)為含低應(yīng)力波透射型結(jié)構(gòu)面模型與室內(nèi)試驗(yàn)具有較高的一致性, 結(jié)構(gòu)面參數(shù)設(shè)置合理。

4 高應(yīng)力波透射性圍巖層裂特性數(shù)值模擬

第3節(jié)驗(yàn)證了數(shù)值模型的可行性, 圍巖材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)面材料參數(shù)和Cohesive單元參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性, 在此基礎(chǔ)上, 筆者重點(diǎn)研究不同工況下含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞過程及力學(xué)特征。

建立含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖數(shù)值模型時(shí), 以在完整1 000 mm圍巖的既定位置插入Cohesive單元來實(shí)現(xiàn)對(duì)高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面的模擬。

4.1 結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度對(duì)層裂的影響

由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知, 結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度對(duì)含低應(yīng)力波透射型圍巖受力狀態(tài)及層裂位置影響較大, 因此針對(duì)含高應(yīng)力波透射型結(jié)構(gòu)面, 進(jìn)行相同入射波幅值下的含不同抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面的模擬試驗(yàn)。

為詳細(xì)研究含不同抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面圍巖在動(dòng)力擾動(dòng)下的破壞形式與層裂破壞過程, 分別將結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度設(shè)置為5, 10, 15, 20, 25 MPa進(jìn)行研究,結(jié)構(gòu)面位置位于桿件正中心處, 通過調(diào)整Cohesive單元的黏聚力參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的調(diào)整。加載應(yīng)力波幅值為75 MPa, 波長為1 000 mm。對(duì)不同結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度條件下的含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞過程進(jìn)行模擬, 并對(duì)A, B兩點(diǎn)(A, B測點(diǎn)為緊鄰圍巖層裂破壞面及結(jié)構(gòu)面的兩個(gè)測點(diǎn), 位置如圖10(a)所示)的波形進(jìn)行了監(jiān)測, 其監(jiān)測到的應(yīng)力波幅值如圖11所示。

圖10 不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度數(shù)值模擬相關(guān)計(jì)算結(jié)果Fig.10 Numerical simulation related calculation diagram

圖11 不同結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度巷道圍巖A, B測點(diǎn)處拉伸應(yīng)力波幅值曲線Fig.11 Tensile stress amplitude curves at A and B measuring points of surrounding rock of caverns with different structural plane tensile strength

數(shù)值模擬結(jié)果得出, 在應(yīng)力波的擾動(dòng)下, 當(dāng)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度為5, 10, 15, 20 MPa時(shí), 含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖在巖石靠近自由端處和結(jié)構(gòu)面處均發(fā)生破壞; 當(dāng)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度為25 MPa時(shí), 只在靠近自由端處發(fā)生層裂破壞, 結(jié)構(gòu)面處未發(fā)生破壞。當(dāng)沖擊應(yīng)力波在巷道圍巖模型中傳播時(shí), 其材質(zhì)自身的密度、孔隙率和阻尼等物理性質(zhì)及彈性模量等力學(xué)性質(zhì)會(huì)影響應(yīng)力波的傳播, 應(yīng)力波幅值會(huì)隨著傳播距離的增加逐漸衰減。當(dāng)結(jié)構(gòu)面處拉伸應(yīng)力波疊加后的幅值大于結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度時(shí), 結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞, 反之幅值小于結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面不發(fā)生破壞。由圖10(b)可知, 不同高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度下的圍巖層裂拉伸破壞位置相同, 且與圖9中完整圍巖的破壞位置一致, 均在距自由端260 mm處發(fā)生破壞, 不同于低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂規(guī)律(圖4)。這是由于相同應(yīng)力波的作用下, 高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面的透射系數(shù)幾乎等于1, 不會(huì)在結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生反射拉伸應(yīng)力波。因此, 該類型結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度不影響圍巖層裂的破壞位置, 應(yīng)力波先后在靠近自由端處發(fā)生反射波疊加現(xiàn)象, 最終圍巖先發(fā)生層裂破壞, 然后結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉伸破壞。

由圖11可知, 靠近層裂位置的測點(diǎn)A處應(yīng)力波幅值隨著結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的增加基本保持水平, 表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度無關(guān)性; 靠近結(jié)構(gòu)面位置測點(diǎn)B處的應(yīng)力波幅值隨著結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的增加而增加。根據(jù)最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則, 當(dāng)結(jié)構(gòu)面和圍巖處發(fā)生層裂破壞時(shí), A, B測點(diǎn)處測得的拉伸應(yīng)力波幅值分別小于圍巖層裂破壞處和結(jié)構(gòu)面處的應(yīng)力波幅值, 考慮為破壞后的殘余拉伸應(yīng)力波。當(dāng)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度為25 MPa時(shí), 由于到達(dá)結(jié)構(gòu)面部位的拉伸應(yīng)力波幅值經(jīng)衰減后低于25 MPa, 未達(dá)到結(jié)構(gòu)面破壞要求, 所以未發(fā)生破壞。因此, 測點(diǎn)A的拉伸應(yīng)力波幅值表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度無關(guān)性, 測點(diǎn)B的拉伸應(yīng)力波幅值與結(jié)構(gòu)面是否破壞有關(guān): 當(dāng)結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞時(shí), 與結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度成正相關(guān); 當(dāng)結(jié)構(gòu)面未發(fā)生破壞時(shí), 測點(diǎn)B的拉伸應(yīng)力波幅值趨向于低于結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的定值。

4.2 不同應(yīng)力波對(duì)層裂的影響

應(yīng)力波幅值對(duì)含結(jié)構(gòu)面圍巖層裂的破壞程度和破壞規(guī)律影響較大。為研究不同應(yīng)力波幅值下含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的動(dòng)力學(xué)響應(yīng), 分別將應(yīng)力波幅值設(shè)置為45, 55, 65, 75和85 MPa, 應(yīng)力波的波長固定為1 000 mm。將結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度設(shè)定為20 MPa, 結(jié)構(gòu)面位置仍位于桿件正中心處。

對(duì)不同幅值應(yīng)力波作用下的含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖破壞過程進(jìn)行模擬, 并對(duì)A, B兩點(diǎn)(A, B測點(diǎn)為分別緊鄰圍巖層裂破壞面及結(jié)構(gòu)面的兩個(gè)測點(diǎn), 位置同圖10(a)所示)的應(yīng)力波波形進(jìn)行監(jiān)測。

不同幅值應(yīng)力波條件下的數(shù)值模擬結(jié)果如圖12所示。由圖12可知, 隨著應(yīng)力波幅值的改變, 巷道圍巖整體出現(xiàn): 整體未破壞(應(yīng)力波幅值45 MPa),圍巖完整–結(jié)構(gòu)面破壞(應(yīng)力波幅值55, 65 MPa), 圍巖破壞–結(jié)構(gòu)面破壞(應(yīng)力波幅值75, 85 MPa)等3種破壞形式。

圖12 不同幅值應(yīng)力波數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.12 Numerical simulation calculation results of different stress amptitudes

通過模擬結(jié)果可知, 應(yīng)力波在高透射性結(jié)構(gòu)面未發(fā)生反射現(xiàn)象, 應(yīng)力波在340 μs時(shí)到達(dá)結(jié)構(gòu)面,在750 μs時(shí)到達(dá)自由端并發(fā)生反射。巷道圍巖中的應(yīng)力波隨著傳播距離的增加逐漸衰減, 當(dāng)應(yīng)力波幅值為45 MPa時(shí), 從自由面反射的應(yīng)力波在整個(gè)圍巖和結(jié)構(gòu)面位置處的幅值未滿足拉伸破壞強(qiáng)度要求,故未發(fā)生破壞。隨著應(yīng)力波幅值的增加, 由于結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度低于圍巖的抗拉強(qiáng)度, 整體在破壞時(shí)依次出現(xiàn)圍巖完整–結(jié)構(gòu)面破壞, 圍巖破壞–結(jié)構(gòu)面破壞(圍巖先破壞, 結(jié)構(gòu)面后破壞)的破壞模式。當(dāng)應(yīng)力波幅值增大到85 MPa時(shí), 靠近自由面的圍巖在高幅值反射應(yīng)力波的疊加作用下多處發(fā)生層裂破壞, 同時(shí)高幅值反射波傳播至結(jié)構(gòu)面致使結(jié)構(gòu)面也發(fā)生拉伸破壞。

由圖13可知, 隨著入射應(yīng)力波幅值的增大, 在自由端反射形成的反射拉伸波幅值也隨之增大。

圖13 不同幅值應(yīng)力波下巷道圍巖A, B測點(diǎn)處拉伸應(yīng)力波曲線Fig.13 Tensile stress amplitude curves at measuring points A and B of surrounding rock under different stress amplitudes

對(duì)靠近自由端測點(diǎn)A來說, 當(dāng)入射波應(yīng)力低于75 MPa時(shí), 圍巖未發(fā)生層裂破壞, A點(diǎn)測得的幅值隨著入射波幅值的增加呈上升趨勢。當(dāng)入射波應(yīng)力高于75 MPa時(shí), 圍巖發(fā)生破壞, A點(diǎn)測得的幅值穩(wěn)定在26 MPa左右。靠近結(jié)構(gòu)面測點(diǎn)B展現(xiàn)出相同的變化規(guī)律, 當(dāng)入射波幅值低于55 MPa時(shí)曲線成正比, 高于55 MPa時(shí), 結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞, 幅值穩(wěn)定在19 MPa左右。根據(jù)最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則, 測點(diǎn)前位置發(fā)生破壞時(shí), 測得的拉伸應(yīng)力波為此位置發(fā)生拉伸破壞后的殘余拉伸波, 其最大拉伸應(yīng)力幅值約等于圍巖的層裂強(qiáng)度, 因此破壞位置后測得的幅值基本保持不變。由上述分析可知, 當(dāng)測點(diǎn)前位置處未發(fā)生破壞時(shí), 測點(diǎn)測得的應(yīng)力波幅值隨著入射波幅值的增加而增加。反之測點(diǎn)前位置處發(fā)生破壞時(shí),測點(diǎn)測得的應(yīng)力波幅值趨于一個(gè)低于監(jiān)測位置處層裂強(qiáng)度的定值。

4.3 結(jié)構(gòu)面位置對(duì)層裂的影響

巷道圍巖中的結(jié)構(gòu)面控制著圍巖整體的破壞情況, 結(jié)構(gòu)面距離自由端的位置也對(duì)圍巖整體的力學(xué)響應(yīng)起著關(guān)鍵作用。

為詳細(xì)研究結(jié)構(gòu)面的不同空間位置對(duì)于圍巖層裂破壞的影響規(guī)律, 分別將結(jié)構(gòu)面位置設(shè)置為距自由端167, 334, 500, 667 mm和833 mm。結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度設(shè)置為20 MPa, 應(yīng)力波幅值設(shè)置為75 MPa,波長1 000 mm。

不同結(jié)構(gòu)面位置下圍巖數(shù)值模型層裂破壞形式及破壞位置如圖14所示。

圖14 不同結(jié)構(gòu)面位置時(shí)巷道圍巖動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果(左側(cè)為加載端, 右側(cè)為自由端)Fig.14 Numerical simulation results of surrounding rock dynamics of cavern at different structural plane positions(the left side is the loading end, and the right side is the free end)

當(dāng)高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面距離自由端較遠(yuǎn)(833, 667, 500 mm)時(shí), 圍巖先發(fā)生層裂破壞, 且其圍巖層裂破壞位置與不含結(jié)構(gòu)面圍巖發(fā)生層裂破壞位置基本一致(距自由端260 mm), 隨后結(jié)構(gòu)面處發(fā)生拉伸破壞。當(dāng)高應(yīng)力波透射性的結(jié)構(gòu)面距離自由端較近(167, 334 mm)時(shí), 圍巖只發(fā)生結(jié)構(gòu)面處的拉伸破壞, 未發(fā)生層裂破壞。

結(jié)合距離自由端200 mm和160 mm處的應(yīng)力波波形(圖15), 對(duì)結(jié)構(gòu)面與自由端之間的圍巖進(jìn)行分析, 定義第1個(gè)反射拉伸波的完整脈寬所持續(xù)的時(shí)長為有效波長, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)面距離自由端的距離縮短時(shí), 反射拉伸波的有效波長也會(huì)隨之縮短(結(jié)構(gòu)面距自由端334 mm和167 mm時(shí), 有效波長分別為0.475, 0.195 m), 拉伸波的幅值也會(huì)降低。這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)面距離自由端較近時(shí), 反射拉伸波抵達(dá)結(jié)構(gòu)面時(shí)首先發(fā)生了拉伸破壞, 破壞后的結(jié)構(gòu)面會(huì)形成新的自由面, 自由面的存在會(huì)使剛剛抵達(dá)的反射拉伸應(yīng)力波發(fā)生二次反射, 成為向自由端傳播的壓縮應(yīng)力波。結(jié)構(gòu)面與自由端越近, 形成的新自由面距離巷道壁就越近, 導(dǎo)致多次反射并相互疊加。拉伸應(yīng)力波的有效波長縮短、幅值降低, 無法達(dá)到圍巖層裂所需的最大拉應(yīng)力(26.7 MPa), 故結(jié)構(gòu)面距離自由端較近(334, 167 mm)的情況下圍巖不會(huì)發(fā)生層裂破壞。

圖15 不同位置處的應(yīng)力波波形Fig.15 Stress wave waveforms at different positions

5 討 論

現(xiàn)有圍巖層裂研究主要針對(duì)完整圍巖, 通過分析層裂破壞特征指導(dǎo)工程支護(hù)問題[27–28], 對(duì)于含結(jié)構(gòu)面圍巖的研究較少, 尤其是缺乏對(duì)含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的層裂破壞特征研究。筆者通過數(shù)值模型開展了對(duì)含高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂破壞研究, 分別討論了結(jié)構(gòu)面位置、結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度等因素對(duì)層裂破壞特征的影響, 研究結(jié)果可為含不同結(jié)構(gòu)面類型的圍巖破壞情況進(jìn)行預(yù)測, 為支護(hù)工程提供依據(jù)。

通過筆者的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度改變時(shí), 含低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面與高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞模式不同, 不同抗拉強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)面的層裂體長度和圍巖層裂位置后的應(yīng)力波幅值(4號(hào)測點(diǎn)和A測點(diǎn))對(duì)比如圖16所示。

圖16 高、低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面對(duì)比Fig.16 Comparison of high and low stress wave transmission structural planes

由圖16可知, 低應(yīng)力波透射性的試驗(yàn)中, 破壞模式為結(jié)構(gòu)面先發(fā)生破壞, 后圍巖發(fā)生層裂破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞時(shí), 隨著結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的增大, 層裂體長度逐漸縮短, 測點(diǎn)處的應(yīng)力波幅值也逐漸增大。高應(yīng)力波透射性的數(shù)值模擬中, 破壞模式為圍巖先發(fā)生層裂破壞, 后結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞, 層裂體長度和測點(diǎn)處應(yīng)力波幅值表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度無關(guān)性。

破壞行為不同的原因在于結(jié)構(gòu)面的透反射系數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)中, 當(dāng)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度不同時(shí), 透反射系數(shù)并不一致, 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的增加導(dǎo)致透射系數(shù)的增加, 進(jìn)而自由端處應(yīng)力波幅值增加, 應(yīng)力波疊加強(qiáng)度更快到達(dá)圍巖破壞強(qiáng)度, 導(dǎo)致層裂體長度逐漸縮短。

反觀數(shù)值模擬中, 結(jié)構(gòu)面為高應(yīng)力波透射性,應(yīng)力波全部透射, 即透射系數(shù)等于1。應(yīng)力波經(jīng)過結(jié)構(gòu)面時(shí)不發(fā)生衰減, 層裂體長度及自由端應(yīng)力波幅值不受到抗拉強(qiáng)度改變的影響, 抗拉強(qiáng)度改變僅影響到結(jié)構(gòu)面破壞與否。筆者在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),設(shè)置圍巖材質(zhì)為理想均質(zhì)材料, 且未考慮溫度、濕度等環(huán)境因素的影響, 存在一定局限性, 后續(xù)可開展更接近實(shí)際工況的試驗(yàn)研究。

6 結(jié) 論

(1)結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度顯著影響低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞特征, 對(duì)高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖破壞特征無明顯影響。隨著結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的增加, 低應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖層裂體長度逐漸縮短, 結(jié)構(gòu)面拉伸破壞先于圍巖層裂破壞; 高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面的層裂體長度則與結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度無關(guān), 圍巖層裂破壞先于結(jié)構(gòu)面拉伸破壞。

(2)應(yīng)力波幅值是影響巷道圍巖破壞模式的重要因素。隨著應(yīng)力波幅值的增加, 高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面圍巖破壞模式依次為: 整體未破壞、圍巖完整–結(jié)構(gòu)面拉伸破壞、圍巖層裂破壞–結(jié)構(gòu)面拉伸破壞。

(3)結(jié)構(gòu)面位置對(duì)高應(yīng)力波透射性結(jié)構(gòu)面巷道圍巖的層裂破壞特征影響較為顯著。結(jié)構(gòu)面距離自由端較遠(yuǎn)時(shí), 圍巖先發(fā)生層裂破壞再發(fā)生結(jié)構(gòu)面拉伸破壞, 結(jié)構(gòu)面位置不影響層裂位置; 結(jié)構(gòu)面距離自由端較近時(shí), 巷道圍巖只發(fā)生結(jié)構(gòu)面拉伸破壞, 不發(fā)生層裂破壞。