加錨節理類巖體裂紋擴展試驗之土木工程研究

來源: www.1081492.live 發布時間:2020-01-01 論文字數:36995字
論文編號: sb2019121110050928812 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇土木工程論文,本文以湖南張家界地區石英砂巖為研究對象,基于相似理論,分別制作了完整以及不同裂隙傾角的加錨和無錨類巖體試樣,以理論分析和室內試驗相結合的方式對加錨

第 1 章   緒論

1.1   研究背景和意義
隨著國家經濟建設的持續發展,各種地下空間工程、深部巖體工程、邊坡工程以及隧道等工程建設正如火如荼的進行著,尤其是隨著近些年來淺部資源的枯竭以及西部大開發國家戰略的布局實施,國家對于地下空間工程以及高速鐵路、超速鐵路和公路等基礎設施的投資建設力度逐漸加大,這必然會涉及到大量的地下空間工程以及邊坡工程的安全穩定性問題[1]。地下空間工程以及邊坡工程的研究對象是巖體,而巖體經過漫長的地質作用,在地應力場的作用下形成了諸如節理、裂隙和層理等缺陷,這些缺陷的存在直接影響了巖體的力學行為,破壞了巖體的整體性,降低巖體的整體強度,給工程建設的安全性帶來隱患。巖體裂紋的擴展是一個動態的變化過程,從宏觀方面來看,是巖石受損傷后力學性能不斷劣化直到失穩破壞,從細觀來看是巖石內部受擾動后裂紋的萌生、擴展直至貫通破壞的過程[2-3]。因此,如何解決巖體工程中存在的節理、裂隙對工程體的損傷,最大限度的減輕對巖體的整體強度損害,成為當今亟待解決的關鍵問題。
近年來,國內外科研學者運用斷裂損傷力學原理對節理巖體進行了較多的研究,但是研究的多是無錨情況下的節理巖體裂紋變化,對加錨節理巖體的研究鮮有報道,而工程中像礦山開采、隧道開挖、水利水電、邊坡支護等工程都存在加錨情況,在當前巖體災害防治方面,錨固技術已經成為巖土工程很重要的安全加固方式[4]。巖體置入錨桿可以改善巖體的力學性能,提高圍巖的自承能力,保持結構物與巖體的穩定性[5-6]。但實際工程中,加錨巖體在受到外力擾動情況下,造成裂隙萌生擴展會出現圍巖的剝落、板裂的情況,造成工程事故的發生,例如 1959 年法國彌帕塞大壩的壩基片麻巖的裂隙擴展引起結構失穩破壞,造成數千人喪生;2011 年蘭新鐵路小平羌隧道在噴漿作業時,錨固區產生大裂隙引起拱頂坍塌事故造成 12 人當場死亡;2014 年云南福貢石月亮鄉公路巖石高邊坡結構失穩坍塌事故造成 3 人死亡;2019 年緬甸帕敢礦區巖體邊坡失穩坍塌事故造成 6 人死亡,以上工程災害的發生的原因都是由于外荷載作用下,引起巖體結構應力變化,造成其自身裂隙擴展造成錨桿錨固作用失效引起巖體失穩破壞。巖體介質本身具有復雜性和多變性,加錨巖體受到外力的作用,內部萌生裂紋并發生擴展變化,影響了錨桿的錨固作用,這就造成巖體失穩破壞,引發工程災害發生。當前科研學者研究巖體裂隙的力學性質多是從無錨裂隙巖體入手,忽略了加錨巖體裂隙的萌生、擴展變化,對探究加錨裂隙的巖體的力學性質存在局限性,所以開展加錨節理巖體的力學性能和破壞機理的研究至關重要,不僅有助于對荷載作用下節理巖體的破壞機理進行更全面的認識,還對探究加錨裂隙巖體力學性能、破壞機制以及巖體工程設計施工,減少以及避免各類環境振動對巖體的災害,為人類開展安全工程建設以及災害防治提供依據具有重要意義。本文以斷裂力學和滑動裂紋擴展理論為研究基礎,結合單軸壓縮試驗和聲發射檢測技術,依據相似理論制作了加錨和無錨類巖體試樣,從細觀裂紋萌生到宏觀裂紋擴展變化,探索了加錨類巖體在荷載作用下的裂紋萌生、擴展以及結構損傷特征,為巖體加錨的工程設計和檢測裂紋提供借鑒參考意義。
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1.2   國內外研究現狀
1.2.1   節理裂隙巖體破壞特征研究現狀
巖體本身存在微裂紋,它是天然地質作用造成的,在受到外力作用下會加大微裂紋的擴展,甚至萌生新的微裂紋,巖體的這種結構影響了自身結構的安全穩定性,到目前為止,對于巖體裂紋擴展,國內外科研學者從理論分析和模型試驗方面入手做了一系列的研究,在理論分析方面,Griffith 建立了裂紋擴展準則理論,該理論對于研究裂紋擴展機理奠定了基礎[7]。Irwin 理論對 Griffith 理論進行了修正,奠定了線彈性斷裂力學的基礎[8]。其后,wells 在 Irwin 理論的基礎上先后提出了 COD 準則和 J 積分理論,從而使斷裂力學真正應用到工程中。Da H 等[10-12]基于線彈性斷裂力學理論,研究了預制多裂隙裂紋的萌生、起裂以及擴展貫通機制,并且研究了不同裂隙形式與自由面相互作用引起的應力集中,用格里菲斯理論進一步確定了擴展裂紋的方式。大量專家學者依據理論進一步提出了相應的模型,如半對數函數模型、雙曲線函數模型等[13-14]展開了對節理裂隙的研究,國內的科研學者對于節理裂隙的模型方法方面做了一些工作,如蔣喆、唐志成等[15-17]對不同節理面的形貌特征進行了研究,提出了節理閉合模型。喬春生等[18]考慮了在巖石節理變形的非線性特性的基礎上,提出了一種全新的塑性剪切變形和剪脹的非線性變形特性模型。黃凱珠等[19]研究了不同幾何分布斷續裂紋在荷載作用下裂隙巖體裂紋的萌生、擴展機制,得出裂紋的貫通機制是受加載條件以及裂紋幾何分布影響的。通過模型試驗研究可以更加直觀的的了解巖石裂紋擴展機理,巖石的宏觀破壞都是由微觀、細觀引起的,采用聲發射檢測技術可以從微觀、細觀方面對巖石的裂紋擴展機理進行研究,某種程度上表示巖石破裂過程中的能量釋放或者能量耗散的程度[20-23]。Su 等[24-25]運用聲發射檢測技術,對類巖體結構進行了試驗研究,并對類巖體結構在荷載作用下的裂紋擴展行為與聲發射能量的的關系進行了研究,對其損傷程度進行定量評價。Saliba 等[26]研究了混凝土結構在荷載作用下聲發射能量與損傷耦合之間的關系。劉茂軍等[27-28]對不同強度等級以及不同齡期的混凝進行了聲發射模型試驗,發現聲發射特征曲線很好地反映混凝土材料內部損傷演變規律。汪皓等[29-30]對比分析了單軸壓縮下巖石與混凝土聲發射參數與應力水平以及時間參數之間的關系,有助于進一步認識巖石類材料破壞的機理。李銀平等[31]開展了單軸壓縮下裂隙巖體的聲發射試驗,得出不同的裂紋所產生的聲發射特征是不一樣。巖石在單軸壓縮過程中具有典型的聲發射特征,其變形、強度特征與聲發射參數之間存在關系[32]。李安強等[33]揭示了巖石內部能量釋放規律、聲發射時序參數以及聲發射振幅分布的層理效應。裴建良等[34-36]分析了加載曲線與加載速率、聲發射振鈴計數、聲發射能量演化對應關系,指出聲發射特征參數可以對不同空間分布類型自然裂隙時空演化過程的精確定位和追蹤。
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第 2 章   加錨和無錨類巖體室內模型試驗

2.1   引言
自然界中的巖體由于長期的地質構造以及外力作用,致使巖體內部產生大量的斷層、節理、裂隙等結構面,這些結構面的存在影響了巖體的強度、變形進而破壞了巖體的安全穩定性。一直以來由于天然巖石本身構造比較復雜、取材困難、成本高以及周期長等缺點,使得想要取得滿足試驗條件要求的試件比較困難,此外,室內原型試驗由于只能代表局部的工程巖體強度,不能豐富表達出巖體內部節理特征以及無法模擬多種地質環境下巖石的力學特性相對受限[55]。因此,采用巖石相似材料開展室內模型試驗不僅能克服巖石原型試件所面臨的諸多難題還能模擬處于不同地質環境下巖石的不同結構面的工程特點。
國內外許多科研學者都采用相似材料來開展巖石結構力學性質的研究,如趙程等[56]依據相似理論預制了不同裂隙傾角的單裂隙類巖體試樣,利用 DICM 的研究手段分析了不同應力狀態下類巖體裂紋萌生、擴展和貫通的損傷演化特征。周玉等[57]通過室內預制模型試件,研究了拉伸作用下錨桿直徑以及錨固角度的不同對巖性的影響。王斌等[58]通過室內相似模型試驗,研究了單軸壓縮作用下不同錨桿直徑對巖體裂紋破裂模式的影響,建立了裂紋擴展分析模型。本文研究的是單軸壓縮作用下加錨裂隙巖體的力學特性和破壞機制,依據相似原理,采用相似材料制作了不同裂隙傾角的加錨和無錨類巖體試件,模擬不同節理形式以及受錨桿錨固作用的情況,利用液壓伺服萬能試驗機進行模型試樣的單軸壓縮試驗,同時利用應力應變采集儀以及聲發射系統對加載過程中的模型試樣進行信息采集,研究加錨巖體在受載作用下損傷破壞全過程。
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2.2   相似理論
2.2.1   相似定理
相似正定理認為兩個相似的系統中必須存在相似不變量,具有相同的相似條件,兩個系統之間對應基本的物理量,例如長度(l)、時間(t)、質量(m)之間應滿足比例關系,也可以用同一個方程式表示,對于相似現象,原型和模型的相似判定都等于同樣大小的一個定數,且原型與各相似常數之間都滿足相應的比例關系,相似條件不是固定的,邊界、幾何和物理等條件都可以作為相似判定的條件。
2.2.2   相似材料模型法的相似判據
(1)幾何相似
在進行試驗時,首先要確定的是幾何上的相似性,所制作的模型試件要與原型試件有一定的相似比例關系,按照一定的比例或者依據相應規范標準制定試驗模型,應滿足的關系如式(2.1)、(2.2)和(2.3)

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第 3 章  加錨和無錨類巖體破壞特征研究 ................... 15
3.1  引言 .......................... 15
3.2  滑動裂紋擴展理論 ................................. 17
3.3  單軸壓縮作用類巖體破壞機制分析 ....................... 17
第 4 章  加錨與無錨類巖體聲發射特征參數研究 ......................................... 35
4.1  引言 ............................... 35
4.2  聲發射特征參數 ............................... 36
4.3  加錨類巖體聲發射特征分析 .................... 37
第 5 章  結論與展望 ....................................... 52
5.1  結論 ..................................... 52
5.2  展望 ..................................... 53

第 4 章   加錨與無錨類巖體聲發射特征參數研究

4.1   引言
巖體中原生裂紋的起裂、擴展和貫通演化特征、破裂模式一直是工程界重視的問題,節理、裂隙等結構面的控制對工程巖體的變形和破壞起著主要的控制作用。在對工程巖體的節理、裂隙進行研究時,大部分科研學者主要是從宏觀受力狀態、裂紋擴展變化、損傷變形特征以及強度特征等方面進行研究的。但是對于細觀裂隙巖體的損傷破壞演化過程卻鮮有研究,宏觀的裂紋擴展都是從細觀開始由量發生了質的變化產生的,僅僅從宏觀對于裂隙巖體的研究存在局限性,不能全面揭示巖石內部裂紋的擴展機理,對試件內部結構失穩缺乏系統性的認識。所以,展開對裂隙巖體進行宏細觀結合的方法分析研究十分重要,也開始受到越來越多科研學者的重視。
在對于裂隙巖體進行細觀方面的檢測上,聲發射對檢測對象是一種動態的檢測方式,其信號反映可以豐富的反映缺陷性質等優點,在對巖石和類巖體檢測當中使用越來越廣泛。當前科研學者對聲發射方面的研究方法主要采用動載和靜載兩種方式,在動載方面,彭剛等[72-73]運用聲發射技術研究了混凝土試件在循環加卸載條件下混凝土試件的損傷破壞特征,探討了聲發射參數與應力、應變之間變化規律。在靜載方面,劉文德、閆淵等[74-75]分析了單軸壓縮條件下巖石的聲發射特征以及分型機制,發現聲發射振鈴計數可以很好的描述試件的整個破壞過程。在動靜荷載作用下巖石的聲發射特征表現有明顯的不同,在動載作用下聲發射信號持續的時間會比較短,聲發射信號參數撞擊數、振鈴計數、能量計數都出現了很大波動,且動載在荷載作用下分為能量積聚時期和能量釋放時期兩個階段,在靜載作用下聲發射參數振鈴計數、撞擊數、能量計數在加載前期沒有出現較大波動,在后期出現了,且靜載作用下聲發射的演化過程分為平靜期、提速期、加速期以及峰值期四個階段[76-78]。
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第 5 章   結論與展望

5.1   結論
本文以湖南張家界石英砂巖為原型,運用相似模擬試驗,對加錨完整、不同節理傾角類巖體以及無錨完整和不同節理傾角類巖體進行了單軸壓縮試驗,并運用聲發射檢測系統對實驗過程中的試件進行信號采集,通過滑動裂紋擴展理論、損傷力學理論以及聲發射試驗研究相結合的方法對加錨以及無錨試樣進行分析,探討了在單軸壓縮過程中,加錨試樣的力學性質以及聲發射特征,得出如下結論:
(1)加錨試件與無錨試件相比,其試件主控裂紋的貫通速度和開裂程度均有所減小,無錨試件微裂紋數目較多,整個試件破壞時成碎屑狀及細粉狀顆粒,加錨試樣形狀變化小,新生裂紋出現的時間較晚,試件在破壞后仍然被錨桿串聯在一起,較少出現塊體崩落和碎裂情況,最終形成明顯的剪切破壞面。
(2)從應力應變曲線可以看出:加錨類巖體曲線在受力過程中,曲線相對光滑,沒有較多的應力突降現象,而無錨類巖體在荷載作用下曲線相比加錨類出現較多應力突降現象。與無錨試件相比,加錨試件峰值強度、殘余強度均出現不同程度的提高,無錨峰值強度過后呈現迅速跌落,而加錨試件的峰值強度呈現出階梯型下跌趨勢,殘余強度顯著,這說明錨桿的加入加強了試樣的抵抗破壞的能力。
(3)通過觀察加錨和無錨類巖體單軸抗壓強度可知:加錨節理傾角 90°試件的抗壓強度與加錨無節理試件抗壓強度相差了 0.050MPa,無錨節理傾角 90°試件的抗壓強度與無錨無節理試件抗壓強度相差 0.254MPa,分析認為節理傾角 90°對于巖體力學性質影響不大。此外,加錨和無錨類巖體不同裂隙傾角單軸抗壓強度均呈現先減小后增大的趨勢,說明裂隙傾角對巖體的強度的規律適應于加錨巖體。
參考文獻(略)

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