多因素耦合效应对层状千枚岩动力特性的影响

为了研究不同长径比和倾角下应变率对层状千枚岩动力特性的影响,选用4种倾角(α=0°,30°,60°,90°)两种长度(L=25,50 mm)的层状千枚岩为研究对象,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击气压(p=0.150,0.175,0.200,0.225和0.250 MPa)的动态压缩试验.研究了两种长径比层状千枚岩不同应变率下动力特性的影响,分析了层状千枚岩层理倾角、长径比和应变率之间的耦合效应对层状千枚岩强度特征的影响关系.结果表明:动态压缩下两种不同长径比层状千枚岩动态抗压强度随层理倾角增加呈现先减小后增大趋势,动态峰值强度和峰值应变均随应变率增大而增大,层状千枚岩动态抗压强度与应变率呈幂函数关系;动态峰值强度关于倾角α和长径比L/D呈二元函数关系,在α=60°时,层状千枚岩动态抗压强度的长径比效应最为显著,在L/D=1时,倾角效应最为显著;不同倾角下,峰值应变在0°倾角下长径比效应最为显著,在90°倾角下长径比效应最弱;动态冲击下层状千枚岩动态抗压强度和峰值应变的应变率效应均强于长径比效应.

层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析

为研究层状千枚岩的断裂破坏规律,通过加工0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°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°~90°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15°~45°时,剪切破坏占主导,为60°~90°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。

层状千枚岩的断裂特性

采用中心直切槽半圆盘层状岩样测试了层状千枚岩的断裂性能,并基于黏结单元建立了层状岩石的有限元数值计算模型,系统研究了层理倾角、层理强度、层理间距及切缝倾角等参数对层状千枚岩断裂特性的影响。结果表明:当层理倾角在0°~90°范围内时,Ⅰ型断裂韧度逐渐增大,峰值载荷和峰值位移也呈增大趋势;层理倾角为零时,发生张拉破坏。层理倾角在15°~45°时,剪切破坏占主导;层理倾角在60°~90°时,张拉破坏占主导。层理倾角为零时,破坏模式受层理强度影响较小;层理倾角分别为15°和30°时,随着层理强度增大,试样由剪切破坏向拉-剪耦合破坏演化;层理倾角在45°~90°时,试样均呈现拉-剪耦合破坏,且随着层理强度增大,试样有向拉伸破坏为主演化的趋势。层理间距较小时,裂纹呈沿层–穿层阶梯状扩展趋势明显;切缝倾角较大时,裂纹穿层扩展趋势明显。

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷,得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌,引入分形几何定量计算断口面粗糙度;结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理,分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大;不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化;从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响,对于层理倾角为0°的试样,强度由岩石基质控制,但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响;对于层理倾角为22.5°的试样,强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制;对于层理倾角为45°~67.5°的试样,强度与裂纹走向受层理弱面控制;而对于层理倾角为90°的试样,动态抗压强度受岩石基质的影响较大,在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹,导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。

缓倾层状千枚岩围岩遇水软化后隧道结构的力学特征

层状千枚岩具有正交各向异性和遇水软化泥化的特征,在水—岩作用下岩体强度会出现较大衰减,导致支护结构受荷增加、承载性能劣化,给隧道结构安全带来巨大挑战。对层状千枚岩开展X射线衍射试验(XRD)、扫描电镜试验(SEM)和崩解特性试验,揭示层状千枚岩遇水软化特征。引入混凝土塑性损伤模型(CDP)表征混凝土损伤劣化行为,引入内聚区模型(CZM)表征层理面的剪切滑移行为,建立缓倾层状岩体隧道数值模型,考虑层状千枚岩遇水软化效应导致的岩体强度下降,分析不同层理角度层状围岩弱化作用下的隧道结构力学行为及承载性能的演化规律。研究结果表明,千枚岩中高黏土矿物含量为千枚岩遇水软化提供了物质基础,裂隙中黏土矿物吸水膨胀,导致裂隙进一步张开与延伸,将岩样切割成碎块状;围岩软化后仰拱、两侧拱脚部位存在明显的应力集中;衬砌结构的压应力分布存在明显的非对称性,围岩软化后衬砌结构的最大压应力明显增大,增幅超过40%;岩层倾角增大加大了围岩软化后衬砌的压缩损伤;采用超前加固可以有效减小遇水软化围岩隧道的变形,超前注浆的加固效果优于超前锚杆。

静动态压缩下千枚岩长径比效应影响研究

为了研究长径比效应对层状千枚岩力学特性、能量耗散及破坏模式的影响,文中选用4种倾角(α=0°、30°、60°、90°)下不同长径比(L/D=0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0)的千枚岩分别进行了静载单轴压缩和分离式霍普金森杆(SHPB)试验。结果发现,静载压缩试验条件下,不同倾角下千枚岩随长径比的增大,峰值强度和峰值应变均减小。通过单轴动态压缩试验,发现4种层理倾角千枚岩动态抗压强度与试样长径比呈二次函数关系,随着长径比的增加,动态抗压强度出现一个峰值后逐渐降低;千枚岩峰值应变与试样长径比呈指数函数关系下降;对动态冲击压缩试验进行能量分析,发现不同工况的千枚岩在同一冲击气压下,入射能、反射能、透射能均呈现出先缓慢上升再快速上升最后趋于稳定的三段式变化;随着试样长径比增大,千枚岩反射能比先增大后减小,透射能比先减小后增大;采用能量比值法进行对比分析,发现在长径比L/D=1.2时,千枚岩的反射能比达到最大,透射能比达到最小;对千枚岩的宏观破坏模式进行分析,发现动态冲击压缩下千枚岩的宏观破坏模式受长径比影响较大,长径比越小破坏越完全;长径比越大,破坏越不充分。