CN107907415A - 用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，以及一种断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，属于物理模型试验技术领域。本发明利用相似理论原理，通过合理制作岩体试样陡缓裂隙的长度、角度、岩桥长度，以及采用正交设计的方法，获取了岩体在受拉时的变形、强度、破坏特征，也从微观角度真实的反应了在断续陡缓裂隙发育的条件下，岩体发生倾倒变形破坏机制及规律，为工程实例中倾倒变形体灾变的预测及防治提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，相应地，同时提供一种断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，属于物理模型试验技术领域。
背景技术
陡缓裂隙：在反倾层状岩坡中，多数坡体中存在至少一组陡倾(大于45°)坡外的裂隙结构面，同时亦存在一组缓倾向(小于45°)坡外的裂隙结构面。
倾倒变形破坏：是边坡变形破坏中的一种典型现象。其形成机制为(似)层状岩体，在自重产生的弯矩作用下，由前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展，最终发生倾倒破坏。
在众多岩浆岩及变质岩形成的岩质斜坡中，由于原生地质成因或者后期地质改造作用，常常于坡体内形成走向平行于坡面的陡、缓两组断续卸荷裂隙。这两组结构面的赋存在倾倒变形体形成过程中起到了强烈的促进和诱导作用。一方面陡倾结构面诱导岩层弯曲拉裂的进一步发展并追索缓倾结构面搭接贯通形成弯曲拉裂破坏带；另一方面两组结构面的结构状态及规模状态会造就最终不同类型的折断破坏面形态。
当岩坡为逆向坡时，坡体在重力作用下，陡裂隙发生拉张，裂隙向根部发展延伸逐渐沟通缓倾裂隙，形成陡缓裂隙间岩桥拉张式贯通，最终引发裂隙上覆层状岩层的绕点旋转折断后的倾倒失稳。
基于上述论述，倾倒变形体的发生其实质是反倾层状裂隙岩坡在陡缓裂隙结构面耦合作用下岩桥贯通后的变形破坏结果。
目前，对于分析在陡缓裂隙结构面条件下，岩体发生倾倒变形破坏特征的试验方法主要采用物理模型试验的方法，如：离心机试验、底摩擦试验、室内力学试验等。
离心机、底摩擦等中大型物理模拟试验需受到场所限制且成本较高，其可宏观模拟分析岩体发生倾倒变形破坏的过程和机制，但无法获取岩体微观应力应变、强度以及破坏迹象的变化数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种方便可行，易实施且满足相似原理基本要求的用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，相应地，同时提供一种断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，旨在研究断续陡缓裂隙对岩体倾倒变形破坏发生的影响效应，也为倾倒变形体防治提供理论依据。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，模型制作方法为：
采用混凝土砂浆材料为模型材料，制作好砂浆后，按设计位置于砂浆样中插入隔板，隔板优选采用钢锯条，待砂浆初凝前抽出固定的隔板，形成贯通的预制裂隙，模型材料养护完成后进行烘干，烘干后送岩石切割机上切割成圆柱试样；
预制裂隙沿着圆柱试样的轴线方向布置，并贯通圆柱试样的两个端面；
预制裂隙包括陡倾裂隙、缓倾裂隙；圆柱试样卧式放置时，以圆柱试样的一端面作为参照面，该参照面的水平向中心线定义为X轴、竖直向中心线定义为Y轴,陡倾裂隙与X轴之间的夹角为陡倾裂隙的倾角β，缓倾裂隙与X轴之间的夹角为缓倾裂隙的倾角α；陡倾裂隙位于X轴上方、Y轴右侧，缓倾裂隙位于X轴下方、Y轴左侧。将陡倾裂隙、缓倾裂隙相邻一侧的端点作连线，该连线为中间岩桥，圆柱试样制作时，中间岩桥穿过圆柱试样的端面中心，中间岩桥与X轴之间的夹角为中间岩桥的倾角γ。
圆柱试样制作时，按照正交设计的方法设置圆柱试样的参数。
圆柱试样制作完成后，采用巴西劈裂方法进行试验，沿着Y轴方向在上中下三处分别粘贴应变片用以测取劈裂过程中应变，通过试验测试获取圆盘试样劈裂的变形与荷载数据。
试验之后，以X轴与Y轴的交点为基准，可通过下述公式获取圆柱试样中心的应力应变数据，之后可生成应力应变曲线图、应变量与裂隙倾角关系曲线图、裂隙倾角与试样抗拉强度关系曲线图。
式中：σ为试样拉应力，单位为MPa；ε为试样拉应变；F为试验荷载，单位为kN；R为圆柱试样半径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；d为测点变形，单位为mm；D为圆柱试样直径，单位为mm。
可通过下述公式获取圆柱试样拉伸模量，可生成拉伸模量与裂隙角关系变化图。
式中：E为拉伸模量，单位为MPa；P为破坏荷载，单位为kN；D为圆柱试样直径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；μ为材料泊松比；Δu为圆柱试样中心点的总位移量，单位为mm。
从上述的模型制作方法可知，对于本发明中的用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，其具体结构为：包括混凝土结构的圆柱试样，圆柱试样中设置有预制裂隙，预制裂隙沿着圆柱试样的轴线方向布置，并贯通圆柱试样的两个端面；预制裂隙包括陡倾裂隙、缓倾裂隙；圆柱试样卧式放置时，以圆柱试样的一端面作为参照面，该参照面的水平向中心线定义为X轴、竖直向中心线定义为Y轴,陡倾裂隙与X轴之间的夹角为陡倾裂隙的倾角β，缓倾裂隙与X轴之间的夹角为缓倾裂隙的倾角α；陡倾裂隙位于X轴上方、Y轴右侧，缓倾裂隙位于X轴下方、Y轴左侧。将陡倾裂隙、缓倾裂隙相邻一侧的端点作连线，该连线为中间岩桥，中间岩桥穿过圆柱试样的端面中心，中间岩桥与X轴之间的夹角为中间岩桥的倾角γ。
本发明的有益效果是：利用相似理论原理，通过合理制作岩体试样陡缓裂隙的长度、角度、岩桥长度，以及采用正交设计的方法，获取了岩体在受拉时的变形、强度、破坏特征，也从微观角度真实的反应了在断续陡缓裂隙发育的条件下，岩体发生倾倒变形破坏机制及规律，为工程实例中倾倒变形体灾变的预测及防治提供理论基础。
附图说明
图1为本发明实施例的试样裂隙角度及应变测量设计图；
图2至图31为本发明实施例的试样裂纹形态及与之相对应的应力应变曲线图；
图32至图34为本发明实施例的试样应变量与裂隙倾角关系曲线图；
图35至图37为本发明实施例的试样拉伸模量与裂隙角关系变化图；
图38为本发明实施例的试样裂隙倾角与试样抗拉强度关系曲线图；
图2至图31中本发明实施例的试样裂纹形态标记为：
1-裂纹一，2-裂纹二，3-裂纹三。
具体实施方式
为便于理解和实施本发明，选本发明的优选实施例结合附图作进一步说明。
本发明的模型制作方法为：采用高强度的混凝土砂浆材料为模型材料，裂隙采用事先埋置厚度为1mm的钢锯条的方式制作。
根据配合比试验，特制高强度混凝土砂浆材料的质量配比为1:0.6:1:0.5(水泥：水：石英砂：重晶石粉)，按此比例配置的混合物经过搅拌10min后，投入制样模具内，以适当的频率振捣2min，清除砂浆内气泡，然后按设计位置于砂浆样中插入钢锯条，待砂浆初凝前抽出固定的钢锯条，形成贯通的预制裂隙，模型材料静止24小时后转入水池内养护28d，然后进行脱模取样，烘干后送岩石切割机上切割成50mm×30mm(直径D×厚度t)的短圆柱样，并测得材料泊松比μ为0.25。
如图1所示，预制裂隙沿着圆柱试样的轴线方向布置，并贯通圆柱试样的两个端面；
预制裂隙包括陡倾裂隙、缓倾裂隙；圆柱试样卧式放置时，以圆柱试样的一端面作为参照面，该参照面的水平向中心线定义为X轴、竖直向中心线定义为Y轴,陡倾裂隙与X轴之间的夹角为陡倾裂隙的倾角β，缓倾裂隙与X轴之间的夹角为缓倾裂隙的倾角α；陡倾裂隙位于X轴上方、Y轴右侧，缓倾裂隙位于X轴下方、Y轴左侧。
将陡倾裂隙、缓倾裂隙相邻一侧的端点作连线，该连线为中间岩桥，圆柱试样制作时，中间岩桥穿过圆柱试样的端面中心，中间岩桥与X轴之间的夹角为中间岩桥的倾角γ。
圆柱试样制作时，参数设置如下：
陡倾裂隙、缓倾裂隙长度相同，设定为s(mm)；
上部陡倾裂隙角度β(°)分别为A、B、C、D、E(≥50°)；
下部缓倾裂隙角度α(°)分别为F、G、H(≤30°)；
中间岩桥设计长度为l(mm)，倾角γ(°)。
本实施例中，上部陡倾裂隙角度β(°)分别为：50°、60°、70°、80°、90°；
下部缓倾裂隙角度α(°)分别为：10°、20°、30°；
中间岩桥倾角γ(°)为：45°。
通过正交设计的方法，一套试验15个短圆柱样，具体参数如表1所示。
表1本发明实施例的裂隙设计分组表(共15组)
圆柱试样制作完成后，采用巴西劈裂方法进行试验，沿着Y轴方向在上中下三处分别粘贴应变片用以测取劈裂过程中应变，通过试验测试获取圆盘试样劈裂的变形与荷载数据。试验装置采用万能材料试验机，采用应变控制加载方式，加载速率设置为0.001mm/s。
试验之后，以X轴与Y轴的交点为基准，可通过下述公式获取圆柱试样中心的应力应变数据，之后可生成应力应变曲线图、应变量与裂隙倾角关系曲线图、裂隙倾角与试样抗拉强度关系曲线图。
式中：σ为试样拉应力，单位为MPa；ε为试样拉应变；F为试验荷载，单位为kN；R为圆柱试样半径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；d为测点变形，单位为mm；D为圆柱试样直径，单位为mm。
可通过下述公式获取圆柱试样拉伸模量，可生成拉伸模量与裂隙角关系变化图。
式中：E为拉伸模量，单位为MPa；P为破坏荷载，单位为kN；D为圆柱试样直径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；μ为材料泊松比；Δu为圆柱试样中心点的总位移量，单位为mm。
试验获取了15组试样裂纹形态及与之相对应的应力应变曲线图，如图2至图31所示，应变量与裂隙倾角关系曲线图如图32至图34所示、拉伸模量与裂隙角关系变化图如图35至图37所示、裂隙倾角与试样抗拉强度关系曲线图如图38所示。
根据上述试验结果，分析后可获得以下结论。
一、裂纹形成机制及受力特征：
裂纹一：为由裂隙尖端开裂产生的翼裂纹，其裂纹特点在于裂纹自身多呈现拐折状曲面，光滑、干净、无碎裂状物质，为典型的拉伸型裂纹；
裂纹二：为反翼裂纹，它同样发生于裂隙尖端，与翼裂纹方向正好相反，裂纹表面多呈现台阶状或拐折状特点，裂纹面间显现微小错动，反翼裂纹具有较为明显的压裂破坏特性；
裂纹三：为主拉伸裂纹，其特点在于受劈裂拉伸作用沿着受力方向向水平方向张开。
二、变形特征：
(1)试样中心点拉伸变形呈现出阶梯变形特征：
以试样2-3为例，其中心点的拉伸变形阶段可以初步划分为三个阶段：
OA低斜率变形段(弱弹性段)，变形段斜率较高，为劈裂试验开始时试样中心点发生的类似弱弹性变形。但该阶段多数裂隙试样显现的变形曲线段呈现小幅度波动式增长，说明在试样内部经历着不断的应力调整，变形呈现出非均匀及非线性特征。
AB极低斜率变形段(强塑性段)，变形斜率最低，基本近似呈现水平变形，说明在此阶段内，即便拉应力变化幅度很小也可引发中心点拉应变持续快速发展，表现出较强的近似材料延性变形特性。
BC高斜率变形段(强弹塑性段)，变形斜率最高，宏观上表现出类似强弹性特征，但在临近破坏之前的微小变形阶段曲线斜率变小，呈现类似材料塑性极限屈服破坏的特点。
(2)不同裂隙试样OA变形阶段与峰值应变的应变量：
当α＝10°、20°时，无论是OA初始段变形还是最终的峰值应变，其应变量均随着陡裂隙倾角的增大呈现“V”型形态变化，即先减小后增大，所有试样均是在陡裂隙倾角为β＝70°时对应的最小应变；
当α＝30°时，无论是OA段应变还是峰值应变，大致随着陡倾裂隙倾角增大而震荡式增大。
(3)不同裂隙试样拉伸模量与陡缓裂隙倾角的关系：
当α＝10°、20°时，裂隙试样的拉伸模量随陡裂隙倾角增大呈现“礼帽”状曲线形态变化；
当α＝30°时，裂隙试样的拉伸模量随陡裂隙倾角增大大致呈现近“马背”状降低的趋势；
由此推测陡缓裂隙共存时，缓裂隙角度变化可能控制着试样内部变形协调模式，当缓裂隙倾角处于不同的状态时，试样随着陡裂隙倾角增大呈现独特的变形响应规律，即体现在拉伸模量随裂隙倾角变化而发生独特的变化。
三、岩体强度特征：
当α恒定时，β的增大变化与试样抗拉强度并无明显的线性表达关系；
当α＝10°、30°时，随着β的增大，抗拉强度曲线表现出近似平躺“Z”型形态；
当α＝20°时，随着β的增大，抗拉强度曲线表现出“W”型形态；
当β＝80°时，无论缓裂隙倾角如何变化，试样的抗拉强度均达到最小值；
当β恒定时，随着α增大试样的抗拉强度均相应增大；
由此可以判定，陡缓裂隙共存时，α改变对岩石的抗拉强度具有较强的影响作用。
四、岩体破坏特征：
当α＝10°、20°时，试样劈裂破坏多数沿着陡倾裂隙发生下端翼形裂纹贯通，下端反翼裂纹与中心主劈裂裂纹连接后贯通，而同时陡裂隙上端翼形裂纹再次贯通试样造成小块近梯形岩样被分割出来；但裂纹的发展与陡裂隙角度变化并未体现出明显响应关系；
当α＝30°时，裂隙试样的破坏并不受陡倾裂隙角度变化的影响，试样均沿着劈裂加载中轴线附近破坏；
由此可以推测，裂隙试样的破坏主要追寻陡倾裂隙的位置及角度变化，但α的变化却能改变试样整体破坏模式，即当缓裂隙倾角小于一定阈值时(α<30°)，试样的破坏受陡裂隙位置控制，但破坏形态受陡裂隙角度变化影响较小；而α增大至一定的幅值时，裂隙试样的破坏受陡裂隙位置及角度变化影响将会减弱。
综上所述，本发明可获取岩体在受拉时的变形、强度、破坏特征，从微观角度真实的反应在断续陡缓裂隙发育的条件下，岩体发生倾倒变形破坏机制及规律，为工程实例中倾倒变形体灾变的预测及防治提供理论基础。
Claims (9)
1.断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于，模型制作方法为：
采用混凝土砂浆材料为模型材料，制作好砂浆后，按设计位置于砂浆样中插入隔板，待砂浆初凝前抽出固定的隔板，形成贯通的预制裂隙，模型材料养护完成后进行烘干，烘干后送岩石切割机上切割成圆柱试样；
预制裂隙沿着圆柱试样的轴线方向布置，并贯通圆柱试样的两个端面；
预制裂隙包括陡倾裂隙、缓倾裂隙；圆柱试样卧式放置时，以圆柱试样的一端面作为参照面，该参照面的水平向中心线定义为X轴、竖直向中心线定义为Y轴,陡倾裂隙与X轴之间的夹角为陡倾裂隙的倾角β，缓倾裂隙与X轴之间的夹角为缓倾裂隙的倾角α；陡倾裂隙位于X轴上方、Y轴右侧，缓倾裂隙位于X轴下方、Y轴左侧。
2.如权利要求1所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：圆柱试样制作时，隔板采用钢锯条。
3.如权利要求1所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：将陡倾裂隙、缓倾裂隙相邻一侧的端点作连线，该连线为中间岩桥，圆柱试样制作时，中间岩桥穿过圆柱试样的端面中心，中间岩桥与X轴之间的夹角为中间岩桥的倾角γ。
4.如权利要求1所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：圆柱试样制作时，按照正交设计的方法设置圆柱试样的参数。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：圆柱试样制作完成后，采用巴西劈裂方法进行试验，沿着Y轴方向在上中下三处分别粘贴应变片用以测取劈裂过程中应变，通过试验测试获取圆盘试样劈裂的变形与荷载数据。
6.如权利要求5所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：以X轴与Y轴的交点为基准，通过下述公式获取圆柱试样中心的应力应变数据，
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式中：σ为试样拉应力，单位为MPa；ε为试样拉应变；F为试验荷载，单位为kN；
R为圆柱试样半径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；d为测点变形，单位为mm；D为圆柱试样直径，单位为mm。
7.如权利要求5所述的断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法，其特征在于：以X轴与Y轴的交点为基准，通过下述公式获取圆柱试样拉伸模量，
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式中：E为拉伸模量，单位为MPa；P为破坏荷载，单位为kN；D为圆柱试样直径，单位为mm；t为圆柱试样高度，单位为mm；μ为材料泊松比；Δu为圆柱试样中心点的总位移量，单位为mm。
8.用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，其特征在于：包括混凝土结构的圆柱试样，圆柱试样中设置有预制裂隙，预制裂隙沿着圆柱试样的轴线方向布置，并贯通圆柱试样的两个端面；
预制裂隙包括陡倾裂隙、缓倾裂隙；圆柱试样卧式放置时，以圆柱试样的一端面作为参照面，该参照面的水平向中心线定义为X轴、竖直向中心线定义为Y轴,陡倾裂隙与X轴之间的夹角为陡倾裂隙的倾角β，缓倾裂隙与X轴之间的夹角为缓倾裂隙的倾角α；陡倾裂隙位于X轴上方、Y轴右侧，缓倾裂隙位于X轴下方、Y轴左侧。
9.如权利要求8所述的用于断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏试验的试件，其特征在于：将陡倾裂隙、缓倾裂隙相邻一侧的端点作连线，该连线为中间岩桥，中间岩桥穿过圆柱试样的端面中心，中间岩桥与X轴之间的夹角为中间岩桥的倾角γ。
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