加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究.pdf
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1、Series No.567September 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第567 期2023 年第 9 期收稿日期 2021-11-24基金项目 国家自然科学基金项目(编号:42107177);浙江省自然科学基金项目(编号:LQ20E040002)。作者简介 高军强(1997),男,硕士研究生。通信作者 刘广建(1990),男,讲师,博士,硕士研究导师。加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究高军强1 刘广建1 杜时贵1,2 贾瑞锋1 王康宇1 徐钰东1(1.绍兴文理学院土木工程学院,浙江 绍兴 312000;2.宁波大学土木与环境工程学院,浙江 宁波 315211)摘
2、要 自然界中广泛存在着两侧岩性不同的结构面,工程中常用锚杆抑制结构面的滑动。为了研究加锚异性结构面的直剪特性,开展了室内直剪试验,结合声发射监测结果,探讨了加锚异性结构面的抗剪强度、破坏类型及裂隙演化规律。研究结果表明:随着加锚异性结构面弱侧壁岩强度增加,抗剪强度呈非线性增加趋势,结构面加锚时的抗剪强度相比未加锚时依次提高了 200%、267%、303%,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂,且主裂纹方向与剪切方向基本一致;加锚异性结构面剪切位移曲线分为压密、弹性、屈服、破坏 4 个阶段,压密阶段锚固剂出现挤压破坏,弹性阶段岩体与锚杆挤压处出现裂隙,屈服阶段锚杆承担主要抗剪力且发生了变形,破坏阶段岩
3、样被剪碎;当结构面弱侧壁岩强度较低时,声发射事件集中在弹性阶段,当其壁岩强度较高时,声发射事件集中在屈服阶段;随着结构面弱侧壁岩强度增加,当 1 时岩样产生大尺度剪切裂隙,当 1 时岩样产生小尺度剪切裂隙。关键词 加锚 异性结构面 直剪 抗剪强度 声发射 中图分类号 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-09-037-10DOI 10.19614/ki.jsks.202309005Study on Shear Failure and Acoustic Emission Characteristics of Anchored Anisotropic Structural Plan
4、eGAO Junqiang1 LIU Guangjian1 DU Shigui1,2 JIA Ruifeng1 WANG Kangyu1 XU Yudong1(1.School of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing 312000,China;2.School of Civil and Environmental Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)Abstract There are structural planes with different lithology
5、on both sides in nature,and anchors are commonly used in engineering to inhibit the sliding of structural planes.In order to study the direct shear characteristics of anchored anisotropic structural plane,the direct shear experiment was carried out.Combined with the results of acoustic emission moni
6、toring,the shear strength,failure type and crack evolution law of the anchored anisotropic structural plane are discussed.The results show that:With the increase of the strength of the weak sidewall rock in the anisotropic structural plane with anchor,the shear strength increases nonlinearly.The she
7、ar strength of the structural plane with anchor increases by 200%,267%and 303%re-spectively compared with that without anchor.The failure types are shear,tensile shear and splitting,and the main crack direc-tion is basically the same as the shear direction;The shear-displacement curve of anchoring a
8、nisotropic structural plane is di-vided into four stages:compaction,elasticity,yield and failure.In the compaction stage,the anchoring agent is squeezed and de-stroyed.In the elastic stage,cracks appear at the extrusion position of rock mass and anchor bolt.In the yield stage,the anchor bolt underta
9、kes the main shear resistance and deforms.In the failure stage,the rock sample is cut and broken.When the strength of the weak side rock of the structural plane is low,the acoustic emission events are concentrated in the elastic stage.When the strength of the wall rock is high,the acoustic emission
10、events are concentrated in the yield stage;With the increase of strength of weak sidewall rock in structural plane,when 1 rock specimen produces large-scale shear cracks,when 1 rock specimen produces small-scale shear cracks.Keywords add anchor,heterosexual structural plane,direct shear,the shear st
11、rength,acoustic emission 天然岩体是由岩石和各种节理、层面、断层等组成的复杂结构体,在自然界中大部分岩体结构面两侧壁岩性质并不相同,特别是两侧壁岩强度的不同,往往会造成如边坡滑移等重大自然灾害发生1。工程中锚杆在锚固方面具有良好的效果,可以有效地限制岩块间的相对位移,提高岩体的整体稳定性。但是结73构面两侧壁岩强度的不同导致锚杆在锚固过程中必定与同性结构面存在着不同的作用机理。因此,研究加锚异性结构面的直剪特性具有重要的工程意义。目前,国内外学者在同性加锚结构面直剪特性方面做了大量的研究。如葛修润等2通过室内试验和理论分析,讨论了锚杆对节理面抗剪性能的影响并提出了加锚节
12、理面抗剪强度计算公式;何栋梁等3基于数值模拟方法分析了拉剪状态下剪切强度与破坏模式;张伟等4模拟了不同强度的岩体在剪切过程中的变形和受力特征,分析得出剪力位移曲线存在弹性、屈服、塑形强化阶段;刘泉声等5选取3 种不同的自然岩石材料开展了加锚剪切试验,结果表明:不同材料的类岩石其锚固力学性质有一定的区别;何栋梁等6基于数值模拟方法,从微观角度分析了剪切位移曲线和峰值剪切强度对锚固节理宏观力学性质的影响;朱友焱等7研究了不同法向应力下锚固结构面的应力分布变化规律,结果表明:结构面在锚固处发生了应力集中现象并出现了拉剪破坏;陈文强等8-9在考虑受压侧岩体反力非线性作用及结构面剪胀效应问题的基础上,推
13、导得出锚杆抗剪力公式,并通过试验验证了其可行性;杨步云等10得出,在相同剪切位移条件下,锚杆所受反力越大,则锚杆所受剪力越大,所受轴力相对减小但变化幅度不大。WANG 等11结合声发射监测数据,分析了不同锚固条件下的剪切力学特性和声发射参数;WU 等12基于循环剪切试验研究了吸能锚杆在多次剪切后的抗剪能力变化,并提出了评价抗剪能力损失的指标。上述研究通过理论分析、室内试验、数值模拟等方法分析了加锚结构面的直剪特性、破坏特征、裂隙演化规律等,但其主要侧重于两侧岩性相同的结构面,对于异性结构面并不适用,因此需要利用上述研究方法讨论加锚异性结构面的问题。异性结构面剪切失稳方面也引起了大量学者的关注。
14、如 GHAZVINLANA13利用 3 种不同强度的石膏砂浆开展了异性结构面直剪特性研究;KODIKARA等14分析了岩石混凝土接触面剪切试验过程,认为该结构面在剪切过程中具有一定的延展性;王姣等15基于三峡库区不同类型的结构面开展了相关力学性质研究,从而得到了结构面的抗剪强度参数,且初步分析了某一典型边坡稳定性问题;方堃等16基于颗粒流软件 PFC 对异性结构面研究后发现,异性结构面的剪切性质更加接近于性质较弱一侧岩石所组成的结构面。上述学者通过室内实验、数值模拟等方式主要研究了无锚结构面的抗剪强度,在一定程度上揭示了结构面的剪切特性。现有研究主要集中在同性加锚结构面和异性无锚结构面的直剪特
15、性,忽略了结构面两侧岩性不同导致锚杆变形不对称的情况。鉴于此,本研究基于自行研制的 1 000 kN 岩石结构面尺寸效应试验系统,进行两侧壁岩强度不同的加锚异性结构面直剪试验,并通过声发射监测研究加锚异性结构面的直剪破坏和声发射特征,揭示加锚异性结构面的破坏机制,研究成果可为解决复合层状岩体工程问题提供参考。1 试样制备1.1 上下盘试块浇筑为了模拟加锚异性结构面在剪力作用下的受力特征并方便试件成型,采用水泥砂浆制作岩体材料试件,模型分为 3 种强度,编号分别为 1、2、3 号。依据黄曼17提出的水泥、沙子、硅粉、水等材料的配合比,得出本试验岩体的材料配合比如表 1 所示。试件尺寸为 200
16、mm200 mm100 mm 的长方体,混凝土试件浇筑分为上下盘两部分,在浇筑过程中振捣密实抹平并养护 24 h 之后开始养护,浇筑过程中,在模具中插入一根直径为 32 mm PVC 管,为后期锚杆安装预留孔洞,浇筑后的水泥试块放入室内养护 28 d。表 1 混凝土配合比参数Table 1 Concrete mix proportion parameters试件编号水泥型号水胶比减水剂与胶凝材料比硅粉与水泥比胶砂比142.50.30.01501.5252.50.30.0150.11.5362.50.30.0150.11.51.2 锚杆安装锚杆采用 HRB400 型螺纹钢制作,直径为 16 mm
17、,长为 180 mm,屈服强度为 425 MPa,其基本力学参数如表 2 所示。锚固角度为 60时,加锚结构面的抗剪强度最大18-19,因此锚杆安装倾角选择 60。锚杆采用树脂锚固剂锚固,锚固剂型号为 Z2850,其凝胶时间为 120240 s,锚杆锚固后,待锚固剂 24 h 后达到其终凝强度。表 2 锚杆力学参数Table 2 Mechanical parameters of bolt材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%螺纹钢606425221.3 材料参数测定为了解各配比试件的基本参数,对同一批次的试样取芯,然后切割、打磨,制成高径比为 3 1 的试件。之后在 MTS 刚性试验机
18、上进行单轴压缩试验,以确定其单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等基本力学参数。各试块基本参数如表 3 所示。83总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期表 3 岩体材料基本参数Table 3 Basic parameters of rock mass materials试件编号单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/()122.51.720.250.02639.59238.43.010.200.01537.95349.83.660.240.02837.452 试验装置及加载方案2.1 试件加载方式为研究上下盘壁岩强度差异对加锚异性结构面抗
19、剪强度的影响规律,开展了法向应力为 1.0 MPa下无锚及加锚异性结构面直剪试验。试验中选取22.5、38.4、49.8 MPa 3 种不同壁岩强度的试件,为了更加方便地表达上下盘壁岩之间的强度差异,定义 为上下盘壁岩强度比值,则可以分为 3 种情况依次为 1,具体试验方案见表 4。本试验利用杜时贵团队20研发的1 000 kN 岩石结构面尺寸效应试验系统,如图 1 所示20。试验过程中首先对试件施加法向应力,法向应力达到预设值后施加水平剪切位移,剪切位移速率为 0.02 mm/s,无锚异性结构面剪切位移终点为 5 mm,加锚异性结构面剪切位移终点为 40 mm。试验过程中无锚加锚异性结构面的
20、剪切力剪切位移曲线由电液伺服系统实时监测记录。表 4 试验加载方案Table 4 Experimental loading schemes试件编号锚固情况上盘壁岩强度/MPa上盘壁岩强度/MPa上下盘强度比值 剪切位移终点/mm1无锚加锚22.538.41540图 1 剪切试验装置Fig.1 Shear test device2.2 声发射监测设备声发射采集系统选用北京软岛时代公司研发的DS5 全信息声发射信号分析仪,如图 2 所示。试验过程中使用夹具将声发射传感器布设于下盘,传感器与岩样之间使用耦合剂进行耦合。共布设 8 个传感器,分别对称布设在下盘试件前后两个侧面,如图 3 所示。本次试验
21、中声发射系统主放 40 dB,门限值设定40 dB,采样频率为 3 MHz,探头频率为 20400 kHz。图 2 声发射监测设备Fig.2 Acoustic emission monitoring equipment图 3 声发射传感器布置Fig.3 Layout of acoustic emission sensors3 剪切试验结果分析3.1 异性结构面无锚加锚剪应力位移曲线不同 下无锚加锚异性结构面剪切应力位移曲线如图 4 所示。由图 4 可知:在加载初期,无锚结构面曲线近似直线增长;当剪切应力到达峰值后,曲线保持直线不变。原因是:无锚结构面在剪切过程中,结构面抗剪强度主要通过上下盘之
22、间的摩擦力提供,同种岩石材料的界面摩擦因数相同,故上盘壁岩强度的变化对结构面抗剪强度没有影响。随着上盘壁岩强度增加,加锚异性结构面的抗剪强度相比于无锚时依次提高了 200%、267%、303%,表明在岩体中加入锚杆可以更好地提高异性结构面的抗剪强度。加锚异性结构面弱侧壁岩强度与剪切应力之间的关系如图 5 所示。由图 5 可知:随着弱侧壁岩强度增加,加锚异性结构面剪切应力呈非线性增加趋势,与弱侧壁岩强度为 22.5 MPa 相比,弱侧壁岩强度为38.4 MPa 与 49.8 MPa 的加锚异性结构面剪切应力从 2.01 MPa 上升至 2.76 MPa 与 3.0 MPa,上升幅度分别为 22.
23、2%和 34.2%,表明弱侧壁岩强度增加可以提高加锚异性结构面抗剪强度。3.2 加锚异性结构面的剪切破坏特征不同 下加锚异性结构面的直剪破坏特征如图 6所示。在室内直剪试验中,3 组加锚异性结构面93 高军强等:加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究 2023 年第 9 期图 4 不同 无锚加锚异性结构面剪切应力位移曲线Fig.4 Shear stress-displacement curves of different non-anchored-anchored structural plane图 5 加锚异性结构面弱侧壁岩强度与剪切应力关系曲线Fig.5 Relation curve of
24、 strength-shear stress and weak lateral wall rock with anchoring anisotropic structure均产生了较大程度破坏,试件上盘的破坏程度由轻变重,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂破坏。锚杆与锚固剂及岩体相互挤压处首先产生宏观主裂隙,之后裂隙沿着主裂隙不断扩展、汇聚和贯通,值越高,主裂隙附近衍生裂隙越多,且主裂隙贯通方向与剪切方向基本一致。原因是:岩石是具有非均质性和各向异性的材料,在破坏时裂隙的方向和形态均会发生一定的变化,当 值增加后,岩体与锚杆相互挤压时内部发育的裂隙形态与方向均会改变,且 值越高,改变越大。因此,值
25、越高的岩体主裂隙附近会产生与主裂隙方向不同的衍生裂隙。且锚杆抑制了上下盘壁岩的相对移动,锚杆在销钉作用下会对周围壁岩产生挤压,上下盘中壁岩强度较小的一侧先发生破坏,但在剪切盒限制下,结构面弱侧壁岩强度较低的一侧破坏后仍然具有抵抗剪切的能力,使得结构面两侧壁岩全部破坏。图 6 不同 加锚异性结构面剪切破坏特征Fig.6 Shear failure characteristics of different anchored dissimilar structural planes4 加锚异性结构面剪切失稳声发射特征岩石在破坏过程中内部往往会有裂隙萌发,之后不断扩展形成宏观断裂面。声发射是一种裂纹萌
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