【doc】共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准则研究

【doc】共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准则研究 共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏 强度准则研究 第25卷第1O期 2006年1O月 岩石力学与工程 ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering Vb1.25No.10 Dcf.,2006 共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和 破坏强度准则研究 刘远明,一,夏才初, (1.同济大学岩土工程重点实验室,上海200092;2.同济大学地下建筑与工程系,上海200092 3.贵州大学土木建筑工程学院,贵州贵阳550003) 摘要:简述共面闭合非贯通节理岩体的破坏机制及其贯通强度依赖于节理和岩桥的特性,阐述现有的共面闭合非 贯通节理岩体的强度准则及其不足.研究直剪应力状态下共面闭合非贯通节理的受力特点,提出共面闭合非贯通 节理岩体破坏机制,引入起裂角,在此基础上建立含起裂角的共面闭合非贯通节理岩体贯通破坏强度准则.通过 与前人的试验进行对比,结果表明提出的破坏机制能较好地解释试 验现象,理论计算的峰值强度与试验实测值 吻合较好. 关键词:岩石力学:节理岩体;直剪;起剪角:破坏强度:共面闭合非贯通 节理 中圈分类号:Tu45文献标识码:A文章编 号:1000—6915(2006)10—2086—06 STUDYoNFRACTUREMECHANISMANDCRITERIAoFFAILURE STRENGTHoFRoCKMASSCoNTAININGCoPLANARCLoSE DISCoNTINUoUSJoINTSUNDERDIRECTSHEAR LIUYuanming,2?3i XIACaichu,2 (1.KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China: 3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550003,China) Abstract:Rockmassescontainingcoplanarclosediscontinuousjointsarecommonlyfoundinnature,andtheir failuremechanismandstrengthstronglydependonthepropertiesofjointsandrockbridges,whicharedefinedas theareasbetweenioints.Severalshearfailurecriteriaoftherockmassareviewedandcompared,andtheir weaknessesarepointedout.Themechanicalbehaviorsofbrittlerockmasscontainingcoplanarclosediscontinuous iointsundershearconditionareanalyzed,andthefailuremechanismsoftherockmassareproposed.Therockmass mayfailinthreeways,failureintensiou,failureinshear,andfailureinmixedtensionandshear.Amodified criterionoffailurestrengthoftherockmassiSproposedforfailureinmixedshearandtension.Theequationofthe shearstrengthcontainsthepropertiesofgeometryandmechanicsofjointsandrockbridges.Shearinitiationangle asanewparameteriSintroducedfirstlyandalsoiScontainedintheequation.ThefailuremechanismCanexplain thephenomenonindirectsheartest,andthecalculatedresultsaccordingtothemodifiedcriterionoffailure strengthagreewellwithexperimentalresults. Keywords:rockmechanics;jointedrockmass;directshear;shearinitiationangle:failurestrength;coplanar closediscontinuousioints 牧藕日期l2005—06—10;修回日期l2005—09—22 基金项目l国家自然科学基金资助项目(40472142) 作者简介l刘远明(1975一),男,1998年毕业于河海大学,现为博士研 究生,主要从事地下结构方面的研究工 作.E-mail:1iuyuanming75@s0hu.com 第25卷第1O期刘远明等.共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破 坏强度准则研究?2087? 1引言 岩体是水利,交通,采矿,石油开采等工程广 泛遇到的一类复杂工程介质.岩体作为一种地质体, 在其形成和存在的整个地质历史时期中,经受过各 种复杂而不均衡的地质作用,并最终赋存于一定的 地质环境中.岩体不是均质的,而是由许许多多的 滑动面,裂纹,节理,软弱面,夹层以及断层等组 成的非均质各向异性和非连续的复合结构体.大量 工程岩体(如边坡,坝基等)的破坏和失稳,通常是 由于荷载作用或条件改变,岩体中的某些结构面的 张开,闭合,起裂,扩展及贯通而产生新的剪切滑 动面所引起的I”.结构面按照发育程度和规模可分 为五级,其中IV级结构面主要是指节理面L2J.工程 节理岩体的破坏常由节理和岩桥(新发生破坏的完 整岩石)共同破坏组成的.对非贯通节理岩体,由于 岩桥的存在使其受力及破坏特征都发生了质的变 化.节理端部应力高度集中,导致脆性断裂破坏. 整体的破坏特征表现为由原生节理和自节理端部扩 展的岩桥断面所组成的复合破坏面I引.在非贯通节 理岩体中,岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特 性在很大程度上受非贯通节理面的规模,密度和空 间分布特征的控制【4】.因此,非贯通节理岩体的变 形和强度特性研究在理论上和工程上都具有十分重 要的意义. 岩体中的节理主要处于压剪应力状态下,非贯 通节理岩体的抗剪强度一直是国内外学者重点研究 内容.B.Stimpson[51提出的将节理和岩桥抗剪强度 参数按连通率进行加权平均得到的加权平均强度准 则,是建立在节理和岩桥的破坏同时遵循Mohr- Coulomb破坏判据基础上,这种准则计算的节理岩 体的抗剪强度偏高;E.Z.Lajai【61】提出的不同正应 力下破坏方式不同的分段破坏准则,把张性破坏, 剪性破坏和挤压破坏3种方式截然分段考虑,使其 所得结果过于安全.H.H.Einstein剐将E.z.Laitai 的岩桥受剪破坏理论运用于边坡稳定分析;J.J. Hung和Lee[9]考虑到岩桥内部的孔隙和微裂 纹,对基于线弹性断裂力学的抗剪强度公式进行修 正;范景伟和何江达【lUJ提出的基于断裂力学的强度 准则,实际上只是节理尖端的初裂强度,而不是岩 体的峰值贯通破坏强度,而初裂强度明显低于贯通 破坏强度;梁作元等【1】通过修正初裂强度得到的 破坏准则,物理含义不明确,传压系数和似断裂韧 度的取值带有很大的人为随意性;钱惠国等【1提出 的结构影响函数法破坏准则,需要大量的试验工作 才能建立;徐靖南等【15J运用断裂力学分析得到压 剪应力作用下共线裂缝的破坏准则.白世伟等【1 根据模型试验研究结果对直剪条件下共面闭合非贯 通岩体的变形和破坏机制进行了分析.任伟中】 推导了相应的峰值破坏强度准则,然而,该准则表 达式中含有需要预先计算的裂纹扩展长度.裂纹的 扩展长度按照等效次生裂纹计算,计算公式较复杂 且含有断裂强度应子,因而计算裂纹长度常常很困 难,且计算结果与实测值相差较大,这对该峰值强 度公式的实际应用带来很大不便. 本文研究了直剪应力状态下共面闭合非贯通节 理的受力特点;提出了共面闭合非贯通节理岩体破 坏机制,引入了起剪角,在此基础上建立了含起剪 角贯通破坏强度准则.通过与前人的试验结果进行 对比,表明提出的破坏机制能较好地解释试验现象, 且理论计算的峰值强度与试验实测值吻合较好. 2共面闭合非贯通节理岩体扩展贯通 强度 共面闭合非贯通节理岩体在压剪应力作用下, 其受力特点如图1所示.由图l(b)可知,在微元体 内,与剪切面夹角为的斜面上: : 1 + 1 cos(2a)-I-Tasin(2t~)(1)a+a(1) 1 T=?sin(2t~)一Tacos(2a)(2) 式中:,分别为外加的法向应力和剪切应力; 为斜面与剪切面的夹角. 令 口f+ I (a) f l fb1 图1直剪试验应力分析图 Fig.1Stressanalysisunderdirectsheartest 一n(2卅2s(2o ?2088?岩石力学与工程2006伍 则 tan(2):(3) 在压剪应力作用下,应力状态具有明显特点, 即最大主应力.为压应力,最小主应力为拉应 力1,即当0?<兀/4时,sin(2o0= cos(2a)=„.:22-.-- “ arctan~”a一(最大主l2一【最大王 应力面与剪切面夹角),则 =【+(+4)”】 当7【/2?<37【/4,sin(2oc)=, cos(2a)=„ (4) 22-a „ 1:7【+ l arctan(最叶2n 小主应力面与剪切面的夹角),则 1 3=去[一(cr:+42-2)”】(5)二 节理(为方便叙述,不妨将扩展的裂纹称为”新 节理”)扩展的条件为 =tan+co(6) 式中:C.,分别为岩块黏聚力和内摩擦角.又 3=R(7) 式中:R为岩块抗拉强度. 如图2所示,非贯通节理岩体扩展破坏机制为: 岩桥应力满足式(6),节理以剪切破坏方式扩展;岩 桥应力满足式(7),节理以拉破坏方式扩展.非贯通 节理岩体破坏形式可分为3种:拉破坏,剪破坏, 拉剪复合破坏.初裂角是岩桥初裂时最小主应力 与原节理面的夹角,+%.=7【/2.由式(4)和 (5)可知:在节理扩展的过程中,随着剪应力的增加, ,大小和方向是不断变化的,因而节理因拉 破坏而扩展的方向也是不断变化的;外加法向应力 对节理岩体的扩展贯通有重要影响.当剪应力达到 峰值强度时,非贯通节理岩体最终贯通方式既可能 是拉破坏,也可能是剪破坏,这取决于法向应力的 大小和非贯通节理岩体几何形状和力学性质,包括 节理面的几何位置,节理面的抗剪强度参数和岩桥 的抗剪强度参数等. 如图3所示,直剪试验模拟的非贯通节理岩体 最终贯通破坏方式为剪切破坏.原节理AB以拉破 图2节理扩展图 Fig.2Jointpropagation []囝.(a)(b) 图3剪破坏贯通破坏图 Fig.3Sketchofshearfailure 坏扩展实际路径为曲线BG,方向随节理端部应力 状态的变化而变化.岩桥破坏时节理扩展方向趋向 于贯通时的最大主应力方向(见图2). 本文将非贯通节理岩体扩展贯通简化为如下模 型:假定节理以拉破坏扩展路径为节理BE,节理 BE平行于贯通破坏时的最大主应力方向,垂直于贯 通破坏时的最小主应力方向;节理BE与原节理AB 延长线夹角为,这里不妨将称为起剪角;节 理CD端部的扩展与节理AB相同;最终非贯通节 理岩体通过节理而贯通破坏. 根据以上的节理贯通机制和简化模型,可得 +aq=7c/2(8) 式中:aq为贯通时节理BE端部的最大主应力面与 剪切面夹角,且 : 1 — 2”/? — aqa(9)q--arctan2一O” a 【9) 由式(8),(9),可求出起剪角: =争一n(10) 对如图3所示的几何条件,由正弦定理,得 面sinflq=2d(11) sin(7【一一)2(6一日) 第25卷第10期刘远明等.共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏 强度准则研究?2089? !:fl21 = sinflq(易一 )(13) 件n剐,. X=0,. Y=0,得 ):ltan(anll bcos(OtPo)sin(0b(14) ++) 式中:c为节理面的黏聚力,为节理面的内摩擦 令并化简得 tan(+)I舍+cos(一)l一 2sin(flq—tp~)tan[(O+)卜cos(&一)=0(15) 二:— COS :6一 +l,,一}… 式中:A=(b-ac)仃,c为压应力传递系数; B=(易一a)Co.trsin;c,分别为弱化了的岩块 3分析验证 3.1破坏机制对试验现象的解释 白世伟等选取砂:m石膏:水:3:3: 2(质量比)的混合料制作模型试件,进行了模拟共面 闭合非贯通节理破坏的直剪试验.试验的剪断面典 型破裂形态如图4(a)所示:剪断面粗糙不平,起伏 (a)白世伟等m?试验 (b)朱维申等1121试验 (cE.ZLajtai?试验 (d)E.Z.Lajta[71试验_二 图4典型直剪试验破坏图 Fig.4Typicalfailurediagramsunderdirectsheartest 度大;节理尖端的起始破裂方向都不沿原有的节理 平面扩展.在正应力较小时,图4(a)方式的下半块 试体中出现一条由节理尖端并一直切穿试体下表面 的贯通裂纹.这与前述的节理破坏机制吻合:节理 扩展方向与原节理方向斜交,先以拉伸破坏方式稳 定扩展;当节理尖端应力满足式(6)时,最终节理岩 体因剪切而破坏;当节理尖端应力满足式(7)时,节 理不稳定扩展,最终节理岩体因拉伸而破坏. 朱维申等lI选取砂,重晶石,松香,酒精混合 配制成”岩石”模型 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,进行直剪应力状态下的 模型试验,典型破坏阶段如图4(b)所示:首先在预 制节理处出现斜向推力的羽状小裂纹,然后节理的 端部先在迎推力方向出现张裂纹,另一端则出现另 一 条张裂纹,随着剪应力的增加,在相邻的两条张 裂的近正交方向出现一对压性横裂纹,这4条裂纹 形成棱形方块.这些现象也与前述节理剪断应力满 岩石力学与工程2006年 足式(6)时破坏机制相一致.比较图3与4(b),图4(b) 所形成的压性横裂纹是图3所示的节理岩体沿节理 EC贯通破坏的结果. E.Z.LajtaiI61选取水和石膏混合料制作模型试 件,模拟共面闭合非贯通节理直剪试验的典型剪断 面破裂形态如图4(c)所示;后来的模拟试验的典型 剪断面破裂形态如图4(d)所.同样,节理扩展 路径与前述的节理剪断应力满足式(6)时破坏机制 相吻合. 3.2计算的峰值强度与试验实测值的比较 将前述建立的剪切破坏强度准则应用于白世伟 等Il51的试验工况,材料的物理力学参数见表l.压 应力传递系数按朱维申等I】】的建议取为2/3,弱化 的岩桥的抗剪强度参数参照表l的抗剪强度参数 取其值的80%,弱化后的抗拉强度亦参照表l的抗 拉强度取其值的80%,计算结果如表2所示.表2 中也列出了任伟中等【l副根据试验实测的的夹角和 裂纹长度(以张拉破坏扩展的新节理长度1进行计算 的峰值强度. 表1模型材料的物理力学参数 Table1Physico—mechanicalparametersofmodelmaterial 节理面节理面节理面法不同正应力下节理面 黏聚力摩擦角向刚度堕:!! q/MPa毋/(.)/(MPa.cm..)=1MPa=2MPa=3MPa 表2理论值与试验值的对比表 Table2Comparisonbetweentheoreticalandtestingresults 试验长度,cm正应力 编号两边节理岩桥cr,/MPa 实测剪切任伟中等0本文计算相对 强度计算的剪切的剪切强误差 z/MPa强度ffMPa度ffMPa,% 由表2可知,本文理论计算和实测值吻合得较 好,最小相对误差为0.25%,最大的也仅为l1.75%. 尽管由于对弱化抗剪强度参数的取值有一定局限, 但在取该值时,各工况的理论计算值与实测值所反 映强度大小变化一致,这说明了建立的剪切破坏准 则是正确的. 同样,将本文建立的剪切破坏强度应用于E.Z. Lajai{61和梁作元和朱维申lllJ的试验工况,理论计算 值和试验值吻合也较好,这里不再列出. 4结论 本文研究了直剪应力状态下共面闭合非贯通节 理的受力特点.提出了共面闭合非贯通节理岩体破 坏机制和引入了起剪角,并建立r含起剪角贯通破 坏强度准则.通过与前人的试验和强度准则的分析 比较,可得以下结论: (1)提出的共面闭合非贯通节理破坏机制能解 释前人所做试验的现象. (2)提出的起剪角物理意义明确,便于计算. (3)提出的含起裂角的共面闭合非贯通节理贯 通破坏强度准则所考虑的因素较全面,包括节理几 何位置,节理面的抗剪强度参数和岩桥的抗剪强度 参数等,能较好地反映实际情况. (4)按本文提出的准则计算共面闭合非贯通节 理贯通破坏强度理论值和实测值吻合得较好. 参考文献(Reference): 【1】周维垣.高等岩石力学【M】.北京:水利电力出版社,1990(Zhou Weiyuan.AdvancedRockMech~ics[M].Beijing..WaterResources andElectricPowerPress,1990.(inChinese)) 【2】蔡美峰,何满潮.刘东燕.岩石力学与L~[MI.北京:科学出版 社,2002(CaiMeifeng,HeManchao,LiuDongyan.RockMechanics andEngineering[M].Beijing:SciencePress,2002(inChinese)) 【3】朱维申,李术才,陈卫忠.理岩体破坏机制何锚固效应及L程应 用[MI.北京:科学出版社,2002.(ZhuWeishen,LiShucai,Chen Weizhong.FailureMechanicsandAnchorageEffectofJointsRock MassandItsApplicationtoEngineering[M].Beijing:SciencePress, 2002.(inChinese)) 【4】ReyesOtEinsteinHHFailuremechanicsoffracturedrock—a fracmrecoalescencemodel[A].In:Proceedingsofthe.7th InternationalCongressofRockMechanics[C].【s.1.】:A.A.Balkema. 1991.333—340 t51StimpsonB.FailureofslopecontainingdiscontinuousplanarjointslAl In:Proc.the19thU.SSymp.onRockMechanics[C].Is1.】:Is.n.】, 】978.296—300 第25卷第10期篁.基面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准 则研究 [61LajaiEZ.Shearstrengthofweaknessplanesinrock[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Geomech.Abstr., 1969,6(7):499—515. 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