裂隙角度和分布密度對(duì)多裂隙水泥砂漿破壞強(qiáng)度的影響

裂隙角度和分布密度對(duì)多裂隙水泥砂漿破壞強(qiáng)度的影響

1含裂隙巖體結(jié)構(gòu)的裂隙分布特性錯(cuò)誤、節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)薄弱通常存在于地下工程的環(huán)境中。巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性受到不同程度的影響，給地下工程的建設(shè)帶來了很大的困難和不確定性?？紤]到大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的困難,現(xiàn)有的針對(duì)實(shí)際裂隙巖體破壞過程的研究主要借助室內(nèi)類巖石材料來完成,掌握多裂隙巖體力學(xué)性能的變化規(guī)律,對(duì)于地下結(jié)構(gòu)施工方式的選擇具有很重要的指導(dǎo)意義。因此,對(duì)多裂隙類巖石材料的斷裂破壞規(guī)律進(jìn)行研究,無論從理論還是工程實(shí)際中都具有十分重要的意義天然巖體結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的多相材料,內(nèi)部存在的裂隙無序分布且尺寸不一,多年來的研究表明,含連續(xù)和含斷續(xù)節(jié)理裂隙巖體的破壞和失穩(wěn)最終都是通過巖體內(nèi)部這些不連續(xù)面的張開、閉合和擴(kuò)展而產(chǎn)生的貫通滑移面引起的。微觀結(jié)構(gòu)上,裂隙尖端應(yīng)力分布狀態(tài)僅與裂隙形態(tài)有關(guān),裂隙分布狀態(tài)相同時(shí)尖端微裂紋擴(kuò)展方式具有比較相似的規(guī)律。陶振宇、趙震英等分別采用聚四氟乙烯薄片、云母片模擬分布節(jié)理,對(duì)隨機(jī)節(jié)理巖體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。張平等在前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用預(yù)埋插片制作閉合裂隙試件,對(duì)動(dòng)靜載荷作用下裂隙兩兩間的擴(kuò)展、貫通過程及影響因素進(jìn)行了分析。車法星、黎立云采用預(yù)埋鋸片的方式制作有序及無序多裂隙體,研究了裂隙傾角影響下單壓及雙壓時(shí)宏觀等效強(qiáng)度,等效彈性模量及泊松比的變化規(guī)律。但是,對(duì)多裂隙類巖石材料在不同裂隙角度及裂隙分布密度雙重因素影響下的斷裂破壞,尚沒有可靠的試驗(yàn)及理論研究。本文從裂隙角度及分布密度共同影響的角度出發(fā),探索雙重因素影響下多裂隙類巖石材料的斷裂破壞規(guī)律。2制作和測(cè)試測(cè)試2.1裂隙發(fā)育類型試件使用C42.5的白水泥、自來水,經(jīng)1.05mm孔徑篩分過的細(xì)砂按體積比2:1:1室溫下制作并養(yǎng)護(hù)試件。試件外形尺寸為200mm×150mm×30mm;采用試件養(yǎng)護(hù)中預(yù)埋厚度為0.4mm的鋁合金薄片預(yù)制閉合貫通裂隙,裂隙長度為20mm,養(yǎng)護(hù)結(jié)束后檢測(cè)裂隙閉合情況。裂隙傾角a設(shè)置為25°、45°、75°和90°4組,每組預(yù)制5、10、15、20、25條和30條有序貫通裂隙(每5條1排)6種類型試件,每種類型試件制作3個(gè)。試件中裂隙布置方式如圖1所示。2.2試驗(yàn)加載過程試驗(yàn)加載裝置采用高精度能控制加載速度的電液伺服控制試驗(yàn)機(jī),見圖2。配合DCS-200操作軟件,在200N/S的力控加載速度下測(cè)定試件加載過程中的荷載與縱向位移值,并繪出荷載-位移全過程曲線。試驗(yàn)時(shí),在試件上下受壓端與機(jī)頭鋼塊之間布置預(yù)先涂抹黃油的橡皮墊,以減弱端部效應(yīng)的影響;試件中部放置千分表,表征試件受壓過程中的橫向變形特性。3應(yīng)變軟化模型為驗(yàn)證本次試驗(yàn)過程與結(jié)果的可靠性,應(yīng)用FLAC3D程序,根據(jù)本次試驗(yàn)所用試件材料建立應(yīng)變軟化(表1)模型(模型包含169157個(gè)單元和36802個(gè)節(jié)點(diǎn))。根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境,設(shè)置邊界條件,采用9×10-8米/步的位移控制加載速率對(duì)數(shù)值分析模型進(jìn)行單向加載。數(shù)值模型所用材料參數(shù),根據(jù)同等條件下制作養(yǎng)護(hù)試件的參數(shù)試驗(yàn)確定,見表2。4試驗(yàn)與價(jià)值模型的比較4.1裂隙端面微裂紋搭接與貫通試驗(yàn)通過對(duì)試驗(yàn)過程中不同試件組破壞過程對(duì)比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)與數(shù)值模擬的試件破壞模式基本吻合;裂隙傾角在影響裂隙體微裂紋的貫通方式和整體破壞模式上起主導(dǎo)作用;裂隙分布密度對(duì)裂隙體整體破壞型式的影響程度并不相同,這種差異與裂隙傾角有關(guān)。限于篇幅,本文僅列舉傾角25°時(shí)不同裂隙分布密度條件下多裂隙體試驗(yàn)過程中裂隙微裂紋起裂、貫通破壞過程圖(圖3(a)~8(a))與數(shù)值模擬過程中裂隙微裂紋起裂、貫通破壞過程圖(圖3(b)~8(b))。同時(shí),附帶說明傾角45°、75°和90°裂隙體試件的破壞型式,從材料的宏觀破壞過程探究裂隙傾角及分布密度對(duì)多裂隙材料破壞模式的影響。如圖3所示,單排貫通裂隙情況下,裂隙體的破壞始于裂隙尖端次生傾斜裂紋的發(fā)育,繼續(xù)加載,次生傾斜裂紋逐漸發(fā)育、搭接,直至試件整體發(fā)生破壞。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),25°與45°裂隙體的破壞模式幾乎相同,首先在試件兩側(cè)的裂隙尖端發(fā)育出翼裂紋,翼裂紋發(fā)育受到阻礙時(shí),試件兩側(cè)裂隙尖端開始發(fā)育次生傾斜裂紋,繼續(xù)加載,試件內(nèi)部裂隙尖端開始出現(xiàn)次生傾斜裂紋,并相互搭接、貫通,直至試件產(chǎn)生橫向貫通裂隙;75°傾角裂隙體雖然有相似的破壞模式,但由于巖橋傾角比較大,裂隙尖端次生傾斜裂紋出現(xiàn)比較晚,但搭接、貫通很快,且不如傾角較小時(shí)規(guī)則。此裂隙分布密度下90°傾角裂隙體沒有發(fā)現(xiàn)裂隙尖端微裂紋的發(fā)育、搭接與貫通的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。裂隙增加至2排時(shí),以同排裂隙尖端次生傾斜裂紋搭接、貫通破壞為主(圖4)。加載初期,因2排裂隙間巖橋過長,翼形裂紋搭接、貫通困難;繼續(xù)加載時(shí),2排裂隙尖端均有次生傾斜裂紋發(fā)育,且靠近加載端一排裂隙間次生傾斜裂紋首先發(fā)生貫通并致使整個(gè)試件發(fā)生破壞。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),25°和45°傾角裂隙體試件破壞模式基本相同;75°傾角裂隙體由于裂隙傾角過大,而次生傾斜裂紋垂直裂隙發(fā)育、擴(kuò)展,因此搭接困難,試驗(yàn)過程中出現(xiàn)2排裂隙間少數(shù)翼裂紋的搭接、貫通破壞現(xiàn)象,數(shù)值模擬過程中也發(fā)現(xiàn)這一相同破壞現(xiàn)象。此裂隙分布密度下試驗(yàn)與數(shù)值模擬過程中均沒有發(fā)現(xiàn)90°傾角裂隙體裂隙尖端微裂紋發(fā)育、搭接與貫通的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。裂隙增加至3排時(shí),裂隙體試件破壞模式發(fā)生了變化(圖5),加載初期,裂隙尖端首先發(fā)育翼裂紋,繼續(xù)加載,裂隙尖端開始出現(xiàn)次生傾斜裂紋,位于與裂隙走向相同的斜對(duì)角線上的裂隙尖端翼裂紋開始相互搭接、貫通,直至裂隙體整體發(fā)生破壞。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),45°裂隙體裂紋發(fā)育與試件破壞模式與25°傾角條件下基本相同;75°傾角裂隙體,翼裂紋的發(fā)育主要集中在試件兩側(cè)的裂隙尖端,且翼裂紋出現(xiàn)比較晚,發(fā)育速度比較快,試件破壞源于兩側(cè)翼裂紋的搭接、貫通,試件內(nèi)部不見翼裂紋的發(fā)育;這一破壞模式與數(shù)值模擬結(jié)果有差異,數(shù)值模擬試件破壞源于兩側(cè)裂隙尖端翼裂紋的搭接、貫通,但試件內(nèi)部裂隙尖端翼裂紋也有搭接、貫通現(xiàn)象出現(xiàn)。此裂隙分布密度下沒有發(fā)現(xiàn)90°傾角裂隙體裂隙尖端微裂紋發(fā)育、搭接與貫通的試驗(yàn)現(xiàn)象。隨著裂隙分布密度的進(jìn)一步增大(圖6),相鄰2排裂隙間巖橋長度進(jìn)一步減小,裂隙尖端翼裂紋出現(xiàn)時(shí)間比15條裂隙試件更早,且次生傾斜裂紋很少出現(xiàn);繼續(xù)加載,位于與裂隙走向相同的斜對(duì)角線上的裂隙尖端翼裂紋發(fā)育較快,并形成貫通裂隙。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),45°傾角裂隙體破壞模式類似于25°傾角情況;75°傾角裂隙體,依然是在試件兩側(cè)裂隙尖端初始發(fā)育翼裂紋,試件破壞起始于兩側(cè)翼裂紋的搭接、貫通;繼續(xù)加載,翼裂紋的搭接、貫通向試件內(nèi)部發(fā)展。此裂隙分布密度下仍然沒有發(fā)現(xiàn)90°傾角裂隙體裂隙尖端微裂紋發(fā)育、搭接與貫通的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如圖7所示,相鄰2排裂隙間巖橋長度及走向相比20條時(shí)并無變化,只是增加了裂隙體的裂隙數(shù)量,但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),此分布密度下翼裂紋出現(xiàn)得更早,位于試件斜對(duì)角線上的裂隙尖端,幾乎同時(shí)出現(xiàn)翼裂紋,并且很快搭接,形成貫通裂隙;繼續(xù)加載,斜對(duì)角線兩側(cè)陸續(xù)出現(xiàn)翼裂紋,并相互搭接,直至試件在斜對(duì)角線上發(fā)生較大相對(duì)位移而破壞。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),45°傾角下這種破壞過程更為明顯;75°傾角下相比20條多裂隙條件下的試件破壞模式并無差異。此裂隙分布密度下試驗(yàn)和數(shù)值模擬過程中也沒有發(fā)現(xiàn)90°傾角裂隙體裂隙尖端微裂紋發(fā)育、搭接與貫通的試驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)比圖6和圖7發(fā)現(xiàn),當(dāng)多裂隙體裂隙傾角比較小時(shí),在巖橋幾何特征(長度和走向)保持不變的情況下,增大裂隙分布密度,試件的塑性變形特性會(huì)顯著增強(qiáng),且裂隙體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展更為規(guī)則、均勻。繼續(xù)增大裂隙體的裂隙分布密度,相同加載速率下,翼裂紋的初始發(fā)育時(shí)間早于25條裂隙體,且翼裂紋的發(fā)育速度比較緩慢,表現(xiàn)出更為明顯的塑性特征是圖8。相比25條裂隙體,試件內(nèi)部翼裂紋的發(fā)育更充分,試驗(yàn)過程與數(shù)值模擬破壞模式相一致。對(duì)比其他組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),25°和45°條件下試件破壞后期,翼裂紋幾乎布滿整個(gè)試件。45°裂隙體更加明顯;75°傾角裂隙體,試驗(yàn)過程中仍然沒有發(fā)現(xiàn)斜對(duì)角線上裂隙尖端翼裂紋貫通破壞模式,數(shù)值模擬顯示有這一破壞現(xiàn)象,只是微裂紋的搭接、貫通比較凌亂,且位于斜對(duì)角線兩側(cè)的裂隙尖端均有翼裂紋的搭接、貫通現(xiàn)象出現(xiàn)。此裂隙分布密度下,也沒有發(fā)現(xiàn)90°傾角裂隙體裂隙尖端微裂紋發(fā)育、搭接與貫通的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。4.2裂隙分布密度對(duì)材料強(qiáng)度的影響筆者從裂隙角度和裂隙分布密度2個(gè)影響因素出發(fā),對(duì)試驗(yàn)及數(shù)值模擬所得裂隙體類巖石材料單軸極限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分類整理、統(tǒng)計(jì),分別繪于圖9和圖10。圖9為裂隙傾角相同時(shí)裂隙分布密度的變化對(duì)多裂隙類巖石材料斷裂破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律,可見裂隙分布密度對(duì)類巖石材料強(qiáng)度分布的影響與裂隙角度的大小有關(guān):裂隙角度較小(0°~25°)時(shí),數(shù)值模擬所得多裂隙體模型單軸抗壓強(qiáng)度隨裂隙分布密度的增大而逐漸減小;隨著裂隙角度的不斷增大(25°~45°),裂隙數(shù)量少于25條時(shí),材料強(qiáng)度隨分布密度的增大而緩慢減小;裂隙分布密度繼續(xù)增大時(shí),模擬強(qiáng)度曲線不再下降,而略有上升,上升的程度與裂隙傾角有關(guān):傾角較大時(shí)上升較小,傾角較小時(shí)上升較大;隨著裂隙傾角的繼續(xù)增大(75°附近),裂隙分布密度對(duì)材料強(qiáng)度的影響越來越弱;裂隙傾角繼續(xù)增大(90°附近),幾乎看不出裂隙分布密度對(duì)材料強(qiáng)度變化規(guī)律的影響。對(duì)比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)所得90°傾角裂隙體強(qiáng)度約為無裂隙體強(qiáng)度(22MPa)的80%~90%,數(shù)值模擬分析模型所得90°傾角裂隙體強(qiáng)度相比無裂隙體強(qiáng)度(22MPa)削弱程度很小。圖10為裂隙分布密度相同時(shí)裂隙傾角的變化對(duì)多裂隙類巖石材料斷裂破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。數(shù)值模擬裂隙體強(qiáng)度曲線顯示,單軸壓縮下多裂隙體極限強(qiáng)度隨裂隙傾角的增大而逐漸增大,在25°傾角時(shí)得到強(qiáng)度的最小值;傾角為0°時(shí),強(qiáng)度比25°時(shí)有所提高;試驗(yàn)所得裂隙體強(qiáng)度變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。角度較小時(shí),貫通裂隙的存在對(duì)多裂隙體強(qiáng)度的削弱作用比較明顯,試驗(yàn)值相比無裂隙材料強(qiáng)度削弱45%~55%,模擬值相比無裂隙材料削弱60%左右。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果顯示,裂隙對(duì)類巖石材料斷裂破壞強(qiáng)度的削弱作用隨裂隙傾角的增大而逐漸減弱。對(duì)比圖9和圖10,忽略脆性材料數(shù)據(jù)隨機(jī)性的影響,試驗(yàn)所得均布多裂隙類巖石材料單軸壓縮下強(qiáng)度變化規(guī)律與數(shù)值模擬所得強(qiáng)度變化規(guī)律相吻合。5裂隙分布密度的影響(1)不同的裂隙傾角對(duì)裂隙體宏觀強(qiáng)度分布規(guī)律的影響比較顯著。裂隙角度較小時(shí),裂隙的存在,對(duì)多裂隙類巖石材料強(qiáng)度的削弱作用比較顯著,25°傾角附近時(shí)最大,而隨著裂隙角度的繼續(xù)增大,裂隙的存在對(duì)類巖石材料強(qiáng)度的削弱作用也越來越弱。(2)不同的裂隙分布密度對(duì)裂隙體宏觀強(qiáng)度分布規(guī)律的影響與裂隙傾角有關(guān)。裂隙傾角比較小時(shí),分布密度對(duì)多裂隙類巖石材料宏觀強(qiáng)度的影響才比較顯著的體現(xiàn)出來,隨著裂隙傾角的增大,裂隙分布密度的影響逐漸減弱。(3)裂隙分布狀態(tài)對(duì)多裂隙類巖石材料破壞