层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析.pdf

167620238BuildingConstructionSCIENTIFRESEARCH究研科学层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析钱立振王彦峰唐国涛李鹏飞中建五局第三建设有限公司湖南长沙410004摘要：为研究层状千枚岩的断裂破坏规律，通过加工0、1 5、3 0、4 5、6 0、7 5、9 0 共7 种不同层理倾角的中心直切槽半圆盘试样，开展室内三点弯曲试验，分析了不同层理倾角I型断裂韧度及断裂破坏模式，并基于声发射系统，分析了不同层理倾角层状千枚岩断裂破坏过程的声发射响应特性。结果表明：层理倾角由0 9 0 的变化过程中，I型断裂韧度逐渐增大，峰值载荷及峰值位移也呈增大趋势；层理倾角为0 时，发生张拉破坏，为1 5 4 5 时，剪切破坏占主导，为6 0 9 0 时，张拉破坏占主导；不同层理倾角层状千枚岩断裂破坏过程声发射响应，在临近破坏荷载时，瞬时振铃信号均明显比较活跃。关键词：层状千枚岩；中心直切槽半圆盘；层理倾角；声发射；破坏模式中图分类号：TU753文献标志码：A文文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 7 6-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.052FractureFailureAnalyhvlliteby-point Bending TestvsisofThree-QIAN Lizhen WANG Yanfeng TANG Guotao LI PengfeiThe Third Construction Co.,Ltd.,of China Construction Fifth Engineering Bureau,Changsha 410004,Hunan,ChinaAbstract:To study the fracture failure law of layered phyllite,a three-point bending test is carried out to analyze the modeI fracture toughness and fracture failure mode of different bedding inclination angles by processing the central straightcut groove half disk samples with 7 different bedding inclination angles of 0,15,30,45,60,75and9o.Based on the acoustic emission system,the acoustic emission response characteristics of layered phyllite fractureprocess with different bedding angles are analyzed.The results show that:during the change of bedding inclinationangle from 0 to 90,the type I fracture toughness gradually increases,and the peak load and peak displacementalso show an increasing trend;when the bedding inclination angle is O ,tensile failure occurs;when the beddinginclination angle is between 15 and 45,shear failure dominates;when the bedding inclination angle is between 60 and 9o ,tensile failure dominates;the acoustic emission response of layered phyllite with different bedding inclinationangles during fracture process is obviously active when the failure load is near.Keywords:layered phyllite;center straight grooved half disk;bedding inclination angle;acoustic emission;destructionmode岩石作为自然界的天然产物，在漫长的地质作用下形成由不同矿物颗粒和胶凝材料组成的多孔、裂隙、层理、断层等结构面，是典型的非连续天然介质，其力学性质往往与完整块体有较大差异1-3)。工程建设中常伴随层状岩石的断裂失稳，层状岩石由于层理结构特性，导致其沿不同层理方向的断裂性质存在较大差异 4-6 。因此，研究层状岩石不同层理方向的断裂力学特性具有重要意义。关于层状岩体力学性能的研究，王宏图等 7-8 早期做过层状煤岩三轴力学特性及相似模拟研究。赵平劳 9-1 0 、裴建良等-1 2 基于层状岩石直剪试验、单轴压缩试验、间接拉伸试验及常规三轴试验，分析了层状岩石抗剪特性、单轴作者简介：钱立振（1 9 9 3 一），男，硕士，工程师通信地址：湖北省武汉市武昌区楚峰大厦2 2 层（4 3 0 0 6 4）。电子邮箱：1 6 6 8 6 2 4 3 6 8 收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 5抗压强度、变形特征及微观断口形貌。Nasseri等 3 基于单轴压缩试验及常规三轴试验，分析了不同层理倾角下片岩的强度和变形特性。Cho等 1 4 对片麻岩等层状岩石进行单轴压缩及巴西圆盘劈裂试验，研究了层理岩石抗压强度、抗拉强度及弹性模量参数的各向异性性质。徐敬宾等 1 5 、衡帅等1 6 通过对不同层理倾角页岩进行单轴及三轴压缩试验，表明受层理面的影响，页岩的强度特征和破裂模式与层理倾角密切相关。断裂力学中，断裂韧度用来衡量材料抵抗裂纹起裂扩展的能力，是重要的强度指标。相关研究 1 7-1 8 表明，两者适用于评价岩石的断裂问题。吕有厂 1 9 基于半圆盘三点弯曲试验，探究了加载速率对3 种预制切槽层理页岩（Crack-arrester型、Crack-splitter型、Crack-divider型）I型断裂韧度的影响规律。赵子江等 2 0 也采用3 种直切槽半圆盘试样及“人”字形切槽半圆盘页岩试样进行三点弯曲试验，对比分析了2 种试样测得的I型断裂韧度值及断裂机理。衡帅建筑施工第4 5 卷第8 期1677李鹏飞：层状千枚岩点弯曲试验的断裂破坏分析王彦峰、唐国涛钱立振、等 2 基于圆柱形三点弯曲试样试验，讨论了张拉载荷作用下裂缝的扩展形态。潘睿等 2 2 的研究表明断裂能各向异性影响岩石裂缝扩展偏折路径。姚哨峰等 2 3 基于三点弯曲试验，探究了大理岩宏观断裂能与岩石细观结构特征的相关性。徐晓云等 2 4 基于半圆盘三点弯曲试验，结合广义最大周向应力准则，分析了T应力对I-II复合型断裂及裂纹扩展路径的影响。张盛等 2 5 探究了石灰岩直切槽半圆盘试样切缝长度及尺寸效应对断裂韧度值的影响。千枚岩节理裂隙发育，呈灰色，是公路工程及隧道工程中常见的软弱围岩。本文基于上述研究，将层理发育的层状千枚岩加工成含有不同层理倾角的中心直切槽半圆盘试样，开展三点弯曲试验测试，并通过Abaqus有限元软件建立了应力强度因子计算模型，研究不同层理倾角层状千枚岩在弯拉载荷作用下的断裂性能，期望能为层状岩体工程断裂问题提供科学指导。1层状千枚岩三点弯曲试验1.1试件制备及材料参数测定本文岩样取自长沙市某工程的层状千枚岩，其中垂直层理方向由单轴压缩试验测得弹性模量为2 7.6 3 GPa，泊松比为0.1 6，平行层理方向测得弹性模量为9 5.1 7 GPa，泊松比为0.2 5，层理间距为2 3 mm。将采取的岩样加工成半径R为5 0 mm，厚度B为2 0 mm，中心垂直直径方向预制切缝深度a为1 5 mm，缝宽约为1 mm的含有0、1 5、3 0、45、6 0、7 5、9 0 共7 种不同层理倾角0 的半圆盘试样（这里定义角为加载方向与层理方向夹角）。制备每个层理倾角试样3 个，共2 1 个试样。制备完成后的7 种层理倾角试样如图1 所示。试样几何尺寸及加载方式如图2 所示。试样下方简支跨距2 S为80 mm。图1各层理倾角试样2Sa：预制切缝深度：R：试样半径：2S：简支跨距：层理面与加载方向夹角图2试样几何尺寸及加载方式1.2加载设备及声发射监测系统三点弯曲加载试验设备采用5 0 kN万能试验机，本次试验加载控制方式采用位移控制，控制速率为0.0 2 mm/min。同时，加载过程中利用DS5-8B声发射监测系统监测试样断裂破坏过程。试验时声发射系统所用频率为3 MHz，阈值为4 0 dB。2试验结果2.1断裂韧度分析试样I型断裂韧度的确定，根据Kuruppu等 2 0 提出的断裂韧度计算公式见式（1）。Pmm元aaSKic=2RBYRR(1)式中，Kic为I型断裂韧度，Pmax为试样受弯拉载荷作用下的峰值载荷，R为试样半径，B为试样厚度，a为切缝长度，S为简支跨距一半长度，Y为I型无量纲应力强度因子，可由Abaqus有限元软件计算得到。基于本次试验中岩样的宏观力学参数，采用Abaqus有限元软件建立如图3 所示的应力强度因子计算模型，采用围线积分计算，预制裂隙尖端设置为CPS6三角形单元，其余部分均设置为CPS8四边形单元，模型中施加载荷设置为单位载荷1 N，结合式（1）换算出无量纲应力强度因子Y，同时为确保模型计算结果的准确性，还将本文的计算结果与文献 2 7 做了对比验证分析，结果见表1。裂纹尖端三角形单元图3应力强度因子计算模型表1 中心直切槽半圆盘无量纲应力强度因子结果比较a/RS/R本文Y文献 2 7 Y误差/%0.10.52.7522.7241.030.30.52.4932.538-1.770.80.512.85012.6651.46从表1 计算结果可知，本文应力强度因子计算模型误差较小，说明本文模型可以准确分析计算，本文a/R=0.3，S/R=0.8，Y,=4.7 8 3。因此，由式（1）计算的各层理倾角断裂韧度值见图4。100试验值厂90平均值拟合曲线8070605040302030 45 607590015层理倾角/（）图4不同层理倾角断裂韧度167820238BuildingConstruction王彦峰、唐国涛李鹏飞：月层状千枚岩点弯曲试验的断裂破坏分析钱立振、由图4 可见，层状岩石的1 型断裂韧度随层理倾角的变化表现出各向异性，I型断裂韧度在层理倾角由0 到9 0 的变化过程中，呈现逐渐增大的趋势，层理倾角为0 时，I型断裂韧度值最小，此种方位加载下试样抵抗开裂破坏能力较弱，试样越易断裂破坏。层理倾角为9 0 时，I型断裂韧度值最大，此种方位加载下试样抵抗开裂破坏能力较大，试样越难以发生断裂破坏。且最大和最小断裂韧度值相差约3.5 8 倍，进一步将1 型断裂韧度值随层理倾角的变化拟合后发现，两者相关系数达到0.9 6，呈如式（2）所示二次函数关系，表明层状千枚岩I型断裂韧度值在层理倾角由0 9 0 的变化过程中，层理倾角对断裂韧度的控制作用增强，材料各向异性特征突出，表现出良好的增韧作用，试样越难以开裂破坏。Kc=0.0070+0.1360+32.568(2)2.2层状千枚岩载荷一位移曲线分析图5 为三点弯曲载荷作用下，7 种层理倾角典型的载荷-位移曲线。由图5 可以看出，三点弯曲载荷作用下，层状千枚岩载荷-位移曲线变化与我们常见的单轴压缩曲线类似，大致可分为4 个阶段：6000,50004000N/3.0009002000100000.20.40.6位移/mm图5不同层理倾角载荷-位移曲线1）压密阶段，加载初期，在竖向载荷作用下曲线斜率由小逐渐变大，曲线上凹明显，且在层理倾角0 9 0 的变化过程中，即竖向载荷与层理面方向逐渐接近垂直，该阶段愈发明显，很可能是由试样层理相对薄弱胶结界面及原生微裂隙被压缩所致。2）弹性阶段，该阶段曲线斜率保持不变，应变能逐渐累积，试样内微裂隙逐渐发育。3）屈服阶段，该阶段持续很短，曲线斜率变缓下凹，微裂隙累积发展贯通，材料刚度下降，试样即将破坏。4）峰后陡降段，该阶段试样达到峰值载荷后，载荷迅速呈断崖式跌落至较小值，甚至为零，表明试样呈脆性破坏。在层理倾角0 9 0 逐渐增大时，试样破坏时的峰值载荷对应的破坏位移有较大差异，层理倾角为0 时，峰值载荷对应的位移最小，层理倾角为7 5 时，峰值载荷对应的位移最大，两者相差约2 倍。且随层理倾角的增大，峰值载荷对应的位移有增大的趋势，此时的峰值载荷也随层理倾角的增大而增大，层理倾角为0 时，峰值载荷最小为2.1kN，层理倾角为9 0 时，峰值载荷最大为5.7 3 kN，两者相差约2.7 倍。因此，综合来看，表明该层状千枚岩的变形和强度特征受层理倾角变化影响较大，表现出明显的各向异性。在层理倾角逐渐增大的过程中，试样变形越大，有越难以被破坏的趋势。这与上述断裂韧度的分析中，层理对断裂韧度有增韧作用有关。2.3层状千枚岩断裂过程声发射分析图6 为声发射振铃计数、载荷随时间变化关系图，可以看出，层理倾角为0、3 0、9 0 时，随着载荷的施加，峰值载荷前期，试样内部层理结构及微空隙逐渐被压缩，但声发射活动较为平静，声发射振铃信号响应程度较弱，层状岩石内部应变能得到累积。随着载荷的继续增大，临近破坏载荷时，岩石内部微裂纹贯通扩展形成宏观裂纹，岩石内部前期累积的应变能得到释放，声发射活动较为活跃，声发射振铃信号响应相对较强。施加载荷达到峰值载荷后，载荷断崖式跌落至零而丧失承载能力，试样呈脆性断裂破坏，此时，声发射活动基本不再响应，声发射累计振铃计数基本不再增加。层理倾角为1 5、7 5 时，随着载荷的施加，峰值载荷前期，声发射活动也较为平静，声发射振铃信号响应也较弱，随着载荷继续增大，临近峰值载荷时，岩石内部微裂纹贯通扩展形成宏观裂纹，累积的应变能得到释放，声发射振铃信号相对较强。而当载荷达到峰值载荷后，载荷值并没有断崖式直接跌落至零，而是存在一定残余强度，仍具有一定承载能力，因此峰值后声发射活动仍有部分响应，声发射累计振铃计数呈现一定增长趋势。层理倾角为4 5 时，随着载荷的增大，在峰值载荷前发生较为短暂的平缓阶段，结合此时的破坏试样（图7）可知，这是由于在未达到峰值载荷之前，裂纹自预制裂隙尖端起裂后沿层理面滑移，但并没有沿层理扩展贯通试样，而是滑移一定距离后穿层扩展，进一步加载至载荷达到峰值载荷后试样才完全破坏。通过以上声发射断裂过程的声发射响应分析可知，不同层理倾角层状千枚岩声发射响应整体存在细微差别，但临近试样破坏时，声发射瞬时振铃信号均明显比较活跃，该现象可以作为此层状千枚岩断裂破坏的前兆。2.4层理倾角对破坏模式的影响图8 为7 种层理倾角半圆盘试样断裂破坏结果，可以看出层理倾角为0 时，裂纹自预制裂隙尖端沿层理面延伸至加载点，发生张拉破坏。层理倾角为1 5 时，裂纹沿层理面滑移扩展至偏离上部加载点位置而发生剪切破坏。层理倾角为3 0 时，裂纹先沿层理面滑移扩展，随后偏离滑移面逐渐切层向加载点靠拢，主要发生剪切破坏。随着层理倾角继续增大为4 5 时，裂纹沿层理面扩展一段距离后，逐渐发生转向沿层理呈阶梯状向前延伸破坏，试样发生拉-剪耦合破坏，且以剪切破坏为主。层理倾角为6 0 时，建筑施工第4 5 卷第8 期1679王彦峰、唐国涛、钱立振、李鹏飞：层状千枚岩点弯曲试验的断裂破坏分析2.5003.0002000f24001.61042.500140005j3.51041.210420002.810500f18003:0002.110412008.0 x.10310002000#￥1.4 1 0 45006004.01035001000张7.010301o02004006008001000400800.1200时间/S时间/s(a)0o(b）1 5 2.4003.0003.010%3.50Q13.50015x10%6002.41104280Q28004102000数1.810421003104800F10001.21041401.40021046.0103700700110O02004006008001000400.80012000时间/s时间/s(c)30(d)456000r24400610460003000次22.0104次00018225500数4.5001.6104数16004104200012003104150015001500800210440011045004.01035001.00015004008001200时间/S时间/s(e)75(f)90图6 不同层理倾角声发射振铃计数、累计计数及载荷与时间关系曲线图7层理倾角为4 5 时试样破坏示意试验及数值模拟裂纹起初均先沿层理面滑移延伸一小段距离后，在试样内拉应力作用下突然转向加载点穿层张拉破坏，而形成张拉裂纹占主导的拉-剪耦合破坏。层理倾角为75时，在层理的影响下，试验中裂纹与层理面呈一定夹角穿层扩展，伴有少量剪切裂纹，主要发生张拉破坏。模拟中裂纹沿层理面滑移后，逐步穿层扩展，但仍表现为张拉破坏为主。层理倾角为9 0 时，裂纹受预制裂隙尖端处层理的影响，先偏向层理面扩展，随后在试样拉应力作用下，裂纹向上发生偏转，逐步偏折穿透层理沿加载轴线向加载点扩展，主要发生张拉破坏。图8试验破坏结果由上述对比分析可知，在弯拉载荷作用下，除0 层理倾角外，其余试样裂纹扩展路径并不像传统直切槽匀质试样一样自裂尖沿径向直接贯通至加载点，而是受层理影响发生偏折扩展，使裂纹扩展路径发生较大差异。在层理倾角0 9 0 的变化过程中，层理倾角为0 时，发生张拉破坏，即典型的I型断裂，当层理倾角增加到1 5 4 5 时，剪切破坏占主导，当层理倾角继续增大到6 0 9 0 时，张拉破坏占主导，即受层理面影响，试样呈现拉伸一剪切一拉伸断裂的演化趋势。表明层理面对断裂破坏模式及裂纹扩展路径有较大影响。3结语针对层状千枚岩，开展三点弯曲载荷作用下室内试验及数值试验分析，主要得出以下结论：1）层状千枚岩I型断裂韧度值在层理倾角由0 到90的变化过程中，呈二次函数关系，且随层理倾角的增大，层理倾角对断裂韧度的控制作用增强，表现出良好的增韧作用，试样越难以开裂破坏。2）层状千枚岩在层理倾角由0 增大到9 0 的过程中，变形和强度特征呈明显的各向异性，垂直层理加载时的峰值破坏位移约是平行层理加载时的2 倍，垂直层理加载时的峰值载荷约是平行层理加载时的2.7 倍，且随层理倾角的增大，峰值载荷和峰值破坏位移有逐渐增大的趋势。3）层理倾角由0 到9 0 的变化过程中，试样的破坏模式及裂纹扩展路径有较大的差异，层理倾角为0 时，发生张拉破坏，即典型的I型断裂，当层理倾角增加到1 5 4 5 时，剪切破坏占主导，当层理倾角增加到609 0 时，张拉破坏占主导，即受层理面影响，试样呈现出拉伸一剪切一拉伸断裂的演化趋势。4）不同层理倾角层状千枚岩的声发射响应整体存在细微差别，但临近试样破坏时，声发射瞬时振铃信号均明显比较活跃，可以作为层状岩石断裂破坏的前兆。参考文献1 鲜学福,谭学术.层状岩体破裂机制 M.重庆：重庆大学出版社,1989.2赵树德,廖红建,徐林荣.高等工程地质学 M.北京：机械工业出版社,2 0 0 5.3谢和平,陈忠辉.岩石力学 M.北京：科学出版社,2 0 0 4.4CHEN C S,PAN E,AMADEI B.Determination of deformabilityand tensile strength of anisotropic rock using Brazilian testsJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1998,35(1):43-61.5刘运思，傅鹤林，饶军应，等.不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究 .岩石力学与工程学报,2 0 1 2,3 1(4):7 8 5-7 9 1.6 李李德建，祁浩，李春晓，等.含层理面煤试样的巴西圆盘劈裂实验及数值模拟研究 J.矿业科学学报,2 0 2 0,5(2):1 5 0-1 5 9.7王宏图,鲜学福，贺建民.层状复合煤岩的三轴力学特性研究 J.矿山压力与顶板管理，1 9 9 9(1)3-5.（下转第1 6 8 5 页）上接第1 6 7 9 页X维精细化模拟及二维等效分析方法周泉吉：软土狭长深基坑施工狭长基坑端头空间效应明显，短边地表沉降仅为长边的1/1 5 左右，短边地下连续墙最大侧移仅为长边的1/3。对于基坑围护结构而言，空间效应影响段为2 0 m（1/3），对于整个地层的环境影响而言，空间效应影响段为近3 0 m(1/2)。建立二维等效分析模型，并对比三维精细化模拟分析结果加以验证，所采用的二维模型分析与三维精细化模拟长边中段结果具备完全一致等效性。提出了二维等效分析结果的空间推定方法，通过事前开展三维精细化模拟，得到基坑空间效应PSR分布；建立二维等效分析模型，施工过程中，通过二维快速分析即可得到基坑长边中段高风险区域的变形及安全状态，并结合前期得到的空间效应PSR分布，即可推定整个基坑三维空间的变形力学形态，从而实现不损失精度下的降维分析，有效降低三维大规模有限元模型反复分析的高额时间成本，大幅提高分析结果的时效价值。同时，以事先分析得出的狭长基坑空间效应PSR分布特性，结合现场相对稀疏的实测点位，可对整个基坑三维变形特性进行全面掌握。8王宏图，鲜学福，贺建民，等.层状复合岩体力学的相似模拟 J.矿山压力与顶板管理,1 9 9 9(2):3-5.9赵平劳.层状结构岩石抗剪强度各向异性试验研究 .兰州大学学报,1 9 9 0(4):1 3 5-1 3 9.10赵平劳.层状岩石抗压强度围压效应各向异性研究 .兰州大学学报,1 9 9 3(1):1 0 5-1 0 9.11裴建良,苏立,刘建锋,等.层状大理岩间接拉伸试验及断口形貌和断裂机理分析 J.四川大学学报(工程科学版),2 0 1 4,4 6(4):3 9-4 5.12裴建良,刘建锋,徐进.层状大理岩卸荷力学特性试验研究 1 .岩石力学与工程学报,2 0 0 9,2 8(1 2):2 4 9 6-2 5 0 2.13 NASSERI M H B,RAO K S,RAMAMURTHY T.Anisotropic strengthand deformational behavior of Himalayan 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