薄層灰巖彎曲變形力學特性試驗研究

賈杰南

(中交公路規劃設計院有限公司貴州分公司 貴陽 550001)

彎曲破壞通常被認為是拉應力引起的。在實際工程中常采用室內巖石巴西劈裂抗拉試驗結果作為巖體的抗拉強度參考值,而抗彎強度往往高于抗拉強度,采用抗拉強度值偏于保守,未充分利用層狀巖體抗彎強度,造成工程費用提高。另外,巖體彎曲破壞裂紋擴展路徑受層理面產狀及厚度的影響常表現出隨機性。因此有必要開展薄層巖體的彎曲變形特性的相關研究。

對于層狀巖體彎曲變形的研究,國內外學者進行了大量的探索。張會仙等[1]建立三點彎曲作用下灰巖的損傷本構方程,構建了反傾層狀巖體彎曲破壞模式下的破壞判據及數值實現。蔡俊超[2]提出柔性彎曲型傾倒破壞的全過程變形曲線,并建立了變形全過程的階段性力學判據和針對性的穩定性評價方法。趙龍輝等[3]進行不同層間黏結強度下水平層狀巖體彎曲破壞試驗研究,獲得了不同層間黏結強度條件下巖體的受彎力學行為。楊志良等[4]開展不同加載速率下預制裂紋且中間層是弱層理的三層混凝土梁三點彎曲試驗,獲取了不同加載下裂紋在含弱層理三層巖體中的擴展特征。梁風等[5]基于彎曲模式揭示了層狀采空區反傾斜坡變形破壞機理。林志劍[6]進行了三點彎曲條件下層狀砂巖的力學特性及裂紋擴展特征研究。國內外學者的研究成果多集中于層狀巖體彎曲變形本構關系和彎曲破壞判據方面,而在彎曲變形特性方面研究較少。另外,結合聲發射新技術監測巖石受彎條件下裂紋出現和擴展過程方面的成果更為有限。

本文在以上研究成果的基礎上,擬通過對薄層灰巖進行三點彎曲試驗,研究薄層灰巖的彎曲變形力學特性和彎曲變形特性,采用聲發射定位技術,獲取試驗加載過程中的聲發射參數信號,以期了解工程中賦存薄層灰巖巖體的破壞機理及預防方法。

1 試驗方法

試驗巖樣取自三疊系下統夜郎組,巖性為灰色中風化薄層灰巖,層理面發育,近于水平狀,結構面間距5～10 mm。將灰巖巖樣加工成3組不同尺寸的長方體,分別為60 cm×10 cm×10 cm、48 cm×8 cm×8 cm、36 cm×6 cm×6 cm,每組的試件編號為1～6。

利用三點彎曲方法分別對3組同一跨高比不同尺寸的薄層灰巖長方體試樣進行試驗。試驗選用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機對試件進行加載,加載速率為0.5 MPa/min;采用DH3818靜態應變數據采集儀記錄加載過程中巖樣的累積應變,將6個電阻應變片分別沿平行巖樣長度方向固定于邊側及底部,采集巖樣受荷作用下底部和試件不同高度位置的應變數據;結合PCI-2型聲發射檢測系統獲取試驗過程中振鈴計數、能量計數等參數信息,三點彎曲試驗示意圖見圖1。

圖1 三點彎曲試驗示意圖

2 試驗結果分析

2.1 力學特征

2.1.1荷載位移曲線

圖2為3組巖樣彎曲的荷載-位移曲線。3組試驗巖樣的荷載-位移曲線可分為線性和非線性兩類。

圖2 巖樣荷載-位移曲線

圖2a)中試件4、5和6,b)中試件4、5和6,c)中試件1、4和6的試驗曲線可以歸類為非線性曲線,曲線呈上凹形,曲線前半部分曲線斜率小,后半段斜率大,位移隨荷載變化的速度先慢后快,造成荷載位移曲線呈現明顯差異性的原因主要是三點彎曲試件在剛開始受載時其上部受壓,上部巖層原有層面裂隙被壓密,層面填充物顆粒被壓縮,此時試件處于微裂隙壓密階段。后半段曲線上凹斜率增大,位移增長速度小于荷載增長速度,說明試件有裂紋產生,并且裂紋擴展速度較為一致。此階段的曲線可以理解為試件處于裂紋擴展階段。試件在后半段達到峰值發生破壞,破壞點曲線垂直下降,反映了灰巖的脆性破壞。

圖2中其他試件的荷載-位移曲線整體呈現良好的線性關系,未表現出荷載隨位移增長速度不一的特點,曲線峰值試件破壞,荷載急劇跌落。此類曲線的線性特征反映了薄層灰巖的層理面膠結密實程度,層理面膠結地越密實,結構面間距越小,試件在受壓時微裂隙壓密階段的變形就越小,由于壓密階段的層理面的壓縮變形增長速度近似于裂紋形成階段的擴展速度,曲線才表現為線性特征。因此,結合試件的非線性曲線特點,按試件荷載位移曲線特征劃分,薄層灰巖彎曲變形破壞可劃分為微裂隙壓密階段和裂紋擴展階段。

荷載-位移曲線反映了彎曲試件高度方向位移隨施加荷載的變化關系,縱向位移的最大值對應了試件最大的彎曲撓度。各組彎曲巖樣縱向位移值在0.3～1.4 mm之間,平均位移值集中在0.7 mm水平,變形較小,可知試樣的彎曲剛度大。

2.1.2沿試件高度分布的應力-應變曲線

試件不同高度的應變值由靜態應變采集儀采集側邊和底部黏貼的應變片測量值得到,應力可根據簡支梁彎曲公式進行換算。由應力-應變數據可得試件沿不同高度分布的應力-應變關系曲線,圖3為A組試樣3、4、5的應力-應變曲線。各試件的應變片1～5所測應變的絕對值大體都遵循由大變小再變大這一規律,巖樣的最上層和最底部變形最大,中間變形相對減小,即巖樣最大拉應變和最大壓應變發生在巖樣的最外層,巖樣最先破壞往往從最外層開始。試件3、4、5中1、6應變片的應變值都大于應變片5,這就說明巖石受彎時的最大拉應變往往大于其最大壓應變,因此巖石受彎作用下其底部最先發生拉伸斷裂。

圖3 沿高度分布應力-應變曲線

在彎曲過程中,巖樣上部產生壓應變,下部產生拉應變,則中間必有一層應變值為0,稱為應變中性層。理論而言,當彎曲變形程度較小時,應變中性層與截面對稱軸重合,但隨著荷載的增加及變形程度的加大,應變中性層會發生遷移。由圖3可見,位于試件高度中間部位的應變片3表現為拉應變,而應變片4表現為壓應變,說明巖樣的應變中性層并不位于巖樣高度的中間部位,而是位于對稱軸靠上部位。這是因為試件彎曲過程中,應變中性層以上的區域受壓,以下的區域受拉,而巖石的抗壓強度大于其抗拉強度,中性層向受壓一側移動造成的。

2.2 變形特征

2.2.1試件破壞形態

試樣在達到破壞臨界點前無明顯的破壞前兆。采用高速攝像機捕捉試樣破壞過程,在試件達到峰值破壞時的形態呈現裂縫擴展貫通斷裂破壞和裂縫擴展不貫通無斷裂破壞2類形式。圖4為2類形態代表試件B組試件1和試件2破壞時的形態圖。

圖4 試件破壞形態

如圖4所示,試件2在中底部偏左2 cm位置出現1條向上延伸擴展的裂縫,裂縫此時還未完全貫通。極短時間后裂縫向上貫通試件彎曲斷裂,最終破壞形態見圖4b)。圖4c)和d)為試件1開始破壞的起裂圖和最終破壞裂縫形態圖,裂縫自中心線偏右2 cm位置起裂并向上擴展,壓力機加載停止時,裂紋并未完全貫通、試件未斷裂。

2.2.2裂紋擴展方式

3組巖樣在壓力機加載條件下裂紋擴展路徑大體可歸為3類:①裂紋路徑與層理面正交,裂紋并沒有沿層理面擴展而是直接穿越層理面;②裂紋路徑與層理面平行,裂紋在層理面處沿層理面先擴展一段距離后再垂直層理面擴展,該轉折點處層理面膠結狀態由弱轉強;③裂紋路徑與層理面斜交,斜交角度10°～30°。

薄層灰巖在受彎條件下的裂紋擴展方式受層理面的膠結強度與巖塊強度之間的相對關系影響。這一結論對近于水平狀的臨空層狀巖體的斷裂破壞具有重要啟示,若層狀巖體層理面膠結密實,層面抗剪力高于一定水平巖層的自重應力時,在自重應力下巖塊先起裂,裂紋擴展至層理面時便不會平行層理面擴展,即巖體不會發生局部巖層垮塌;若層理面抗剪力小于巖層自重或小于巖塊抗剪強度,巖層裂紋擴展路徑可能會沿平行層理面方向擴展,導致圍巖發生巖層剝落。

2.3 聲發射參數特征

2.3.1AE累計振鈴計數與應力關系

聲發射信號可以監測出巖石受力變形破壞過程中產生的聲源特性,其中振鈴計數能反映聲發射的信號強度和頻度。圖5為3組巖石試件中具有代表性的累計振鈴計數與其同時刻相應的應力水平的關聯曲線。由于試件底部最先受拉破壞,底部時間應力曲線最能反映試件破壞力學特征,因此圖中的應力代表試件底部位置的應力。

圖5 累計振鈴計數-時間-應力關聯曲線

如圖5所示,在3組巖樣的整個變形破壞階段中,聲發射活動特征不同。A組試件6在臨界破壞前累計振鈴計數保持不變,聲發射活動性低,直到巖石破壞時AE活動性突然發生,反映出試件材料的均質性較好,內部幾乎沒有或稍有裂隙存在,主破壞前試件內部沒有漸進性的小破壞。B組試件2和C組試件5的累計振鈴計數曲線隨時間發生躍階,反映出試件在主破壞到來前有漸進性破壞,這種破壞是由于試件受力局部裂隙產生應力集中造成的。B組試件2和C組試件5在不同的彎曲變形破壞階段其聲發射活動性特征不同:①巖樣加載初期,聲發射活動趨于平靜,此階段正處于微裂隙壓密階段,局部裂紋面出現滑移,產生的能量較小,釋放的聲發射信號幅度未超過振鈴門檻,因此振鈴計數少;②裂紋形成階段,局部巖石內部應力達到臨界值,開始發生破壞,巖樣聲發射信號主要由裂紋成核、裂紋穩定擴展等產生,產生的聲發射多為突發型,聲發射振鈴計數出現明顯的峰值,累計振鈴計數產生明顯躍階;③裂紋的非穩定擴展階段,巖石內部應力水平快速臨近峰值,早期出現的微裂紋快速擴展并伴隨新裂紋快速生成,聲發射活動也隨之活躍,累計振鈴計數再躍級一個臺階;④巖石破壞階段,巖石單元內部應力水平越過峰值,之前產生的微裂紋擴展貫通形成肉眼可見的裂縫,這一過程有大量能量釋放,產生大量彈性波,聲發射活動急劇增多,振鈴計數達到最高峰值。

2.3.2AE累計能量與應變關系

能量狀態與應變增長息息相關。圖6為B組試件2和C組試件5的AE累計能量與應變的試驗曲線和擬合關系曲線。通過觀察試驗曲線可知,在一定應變增長范圍內,薄層灰巖的聲發射活動不明顯,AE累計能量為0,隨著加載的進行,巖石內部微裂紋繼續擴展,聲發射活動逐步增加,AE累計能量隨應變的增加有所增大,繼續加載至巖石失穩破壞,巖石快速卸載,此時聲發射累計能量急劇增加,達到最大。

圖6 AE累計能量-應變試驗曲線和擬合曲線

如圖6所示,試驗數據曲線呈現三大特征:①能量應變曲線呈現階梯式躍階,如B組試件2能量在應變為300×10-6時上升到1 000臺階水平,C組試件5曲線呈現2級臺階形狀,第一次臺階起點對應于應變值為225×10-6位置,第二次臺階起點對應于應變值為350×10-6位置;②能量應變曲線最后階段總會出現一長段近似直線或者直線式形狀,這代表著能量在極短時間內的急劇增加,反映了巖石破壞時內部能量釋放的速度和大小;③能量應變曲線最后部分的直線段總是在最大應變值的前面出現,如B組試件2,直線段出現后應變值繼續增加了小部分。這一特征反映了巖石破壞聲發射能量的釋放總是先于巖石宏觀破壞。擬合能量應變試驗曲線,得知聲發射能量與應變呈現指數函數關系。這也驗證了試件在臨近極限應變時能量呈冪律的加速釋放過程。根據試驗曲線能量直線段與應變對應關系,可探討將應變值作為巖石破壞的前兆判據。

3 結論

通過在三點彎曲試驗條件下,對薄層灰巖試樣彎曲破壞過程的裂紋擴展規律及其聲發射參數信號變化特征試驗研究,可得到以下結論。

1) 薄層灰巖彎曲受力時試件內部彎曲應力呈線性分布,具有上壓下拉的特點,彎曲破壞呈現彈脆性特征。巖樣的應變中性層位于試件中心對稱軸靠上部位,偏向受壓側。

2) 薄層灰巖彎曲破壞裂紋起裂點大多始于試件底部中心受拉區域,其擴展路徑取決于巖塊強度和層面抗剪強度相對大小關系,有垂直、平行、斜交層理面3種路徑。

3) 聲發射振鈴計數可監測出巖樣受荷后內部應力水平反應,隨荷載的增加巖樣內部應力逐步集中。試件在破壞時能量釋放的速率相當快,呈現出明顯的加速釋放過程,此現象可作為一種巖石破壞的前兆現象。