危巖主控結構面端部區域應力特征研究

張景昱 陳洪凱

摘 要：危巖主控結構面端部區域的應力變化是導致危巖破壞的主要因素。針對壓剪破壞型危巖，進行室內模型試驗。主控結構面端部區域的平面應力狀態可以用兩個主應變ε1和ε2來表示，在模型主控結構面端部布置了5個測點，試驗量測到5個測點在施加荷載過程中兩個主應力的變化曲線；對試驗結果分析表明，危巖主控結構面端部區域的1#、4#和5#測點的主應變在所施加荷載逐漸增加的情況下，變化較大；2#和3#測點的主應變的變化較小。說明1#、4#和5#測點的主應力變化最為敏感，敏感程度1#>4#>5#>3#>2#；3#測點在整個過程中兩個主應力方向上均處于受壓狀態。

關鍵詞：危巖 主控結構面 主應變 模型試驗

中圖分類號：P642.2 文獻標示碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0026-02

危巖崩塌是我國山區主要地質災害類型之一，其破壞具有突發性、強致災行和泛生性，嚴重威脅山地公路、鐵道干線和城鎮居民安全等。危巖崩塌破壞的根本原因是其主控結構面裂紋端部的擴展，而其擴展是由于主控結構面端部區域應力應變的變化，探索危巖主控結構面端部應力應變的變化是揭示危巖破壞機理的關鍵環節之一。

迄今，在危巖破壞機理方面公開報道的研究成果較少，陳洪凱、鮮學福和唐紅梅探討了崩塌災害形成機制[1]，基于損傷力學和斷裂力學探討了危巖主控結構面端部損傷特性[2]和在裂隙水壓力作用下的疲勞斷裂特性[3]，提出了危巖斷裂穩定性分析方法[4]，分析了危巖塊崩落瞬間可能出現的激振效應[5]及危巖塊彈沖動力參數[6]，初步揭示了陡崖上群發性危巖塊的崩落序列[7]。上述研究基本未對危巖主控結構面端部區域應力應變進行分析，因此，該文通過模型試驗，以壓剪破壞型危巖為例，探索危巖主控結構面端部應力應變在擴展前的變化，進一步揭示危巖破壞機理。

1 危巖主控結構面端部應力場試驗

1.1 試驗模型

針對壓剪破壞型危巖，建造試驗模型如圖1所示，試件含預制斜裂紋60 mm，且斜裂紋傾斜角為75°，布置了五個應變測點（圖2），其中1#測點位于危巖主控結構面端部，2#測點位于1#測點正下方5 cm處，3#測點位于1#測點水平右方5 cm處，5#測點位于3#測點正下方5 cm處，4#測點為以上四個測點組成正方形的形心。

模擬危巖的試件用M25水泥砂漿制成，配合比為水泥：砂：水=1∶3.15∶0.63，其抗壓強度為16.83 MPa，抗拉強度為0.89 MPa，重度為20.13 kN/m3，彈性模量3.37 GPa，泊松比0.19。

2.2 試驗荷載

模型中，施加的荷載位于主控結構面右段（圖3），每級荷載為2 MPa，至試件裂紋擴展為止，且每級荷載暫停1 min。該模型試驗重點關注主控結構面端部擴展前1#、2#、3#、4#和5#各測點所采集的應變數據。

3 試驗結果分析

3.1 測點應變變化趨勢圖

各測點平面主應變分別為ε1和ε2，試件主控面開始擴展前所得數據處理后如4（a）、（b）、（c）、（d）和（e）所示。

從圖4可以看出，

（1）在主控面擴展前，施加的荷載依次為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa，在8 MPa以后主控面開始擴展。

（2）施加荷載達到2 MPa時，1#和4#測點的壓應變ε2較大于其他3個測點，分別為-209.8με和-166.2 με；1#和5#測點的拉應變ε1較大于其它三各測點，分別為65.5 με和48.7 με。

當荷載達到4 MPa時，1#、4#和5#測點壓應變ε2較大，分別為-588με、-412.9 με和-384.8 με；1#和5#測點的拉應變ε1較大，分別為175.2 με和138.3 με。

當荷載達到6 MPa時，1#、4#和5#測點壓應變ε2較大，分別為-1093.5με、-1025.3 με和-689.1 με；1#和5#測點的拉應變ε1較大，分別為297.2με和233.7με。

當荷載達到8 MPa時，1#、4#和5#測點壓應變ε2較大，分別為-1836.5με、-1733.9με和-1092.6με；1#和5#測點的拉應變ε1較大，分別為457.4με和367.2με。

各級荷載下測點主應變情況列表如表1所示。

（3）1#、4#和5#測點的主應變在所施加荷載逐漸增加的情況下，變化較大；2#和3#測點的主應變的變化較小。說明在該模型試驗中，1#、4#和5#測點在主控面擴展前主應力變化最為敏感，且變化程度為1#>4#>5#>3#>2#。

（4）1#、2#、4#和5#測點的兩個主應變ε1和ε2均為一正一負，即一個受拉一個受壓；而3#測點則全為負值，說明該測點的兩個主應力方向上全為受壓狀態。

3 結論

危巖主控結構面端部附近區域的平面應力變化情況可用兩個主應變ε1和ε2來表示，負值表示受壓，正值表示受拉。基于壓剪破壞型危巖室內模型試驗，該文主控面端部區域各測點的主應變變化情況進行了分析，得到如下結論。

（1）通過壓剪破型危巖室內模型試驗，利用應變片采集了主控結構面端部區域的應力變化狀態，獲得各測點主應力變化趨勢圖。

（2）危巖主控結構面端部區域的1#、4#和5#測點的主應變在所施加荷載逐漸增加的情況下，變化較大；2#和3#測點的主應變的變化較小。且1#、4#和5#測點的主應力變化最大，變化程度1#>4#> 5#>3#>2#。

（3）1#、2#、4#和5#測點的兩個主應力ε1和ε2均為一正一負，即一個受拉一個受壓；而3#測點則全為負值，說明該測點的兩個主應力方向上在整個施加何在過程中全為受壓狀態。

參考文獻

[1] 陳洪凱，鮮學福，唐紅梅.石質山區崩塌災害形成機理[J].四川大學學報：工科版，2010，42（3）：1-6.

[2] CHEN Hong-kai，TANG Hong-mei，YE Si-qiao.Damage model of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mechanics，2006，27（7）：967-974.

[3] CHEN Hong-kai，TANG Hong-mei.Method to calculate fatigue fracture life of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mecha-nics， 2007，28（5）：643-649.

[4] 陳洪凱，鮮學福，唐紅梅.危巖穩定性斷裂力學計算方法[J].重慶大學學報，2009，32（4）：434-437.

[5] 唐紅梅，王智，鮮學福，等.墜落式危巖劇動式崩落與激震效應[J].重慶大學學報，2011，34（10）：39-45.

[6] 陳洪凱，張瑞剛，唐紅梅，等.壓剪型危巖破壞彈沖動力參數研究[J].振動與沖擊，2012，31（24）：33-36.

[7] 唐紅梅，王林峰，陳洪凱，等.軟弱基座陡崖危巖崩落序列[J].巖土工程學報，2010，32（2）：205-210.