含层理结构面层状板岩张拉断裂的DIC试验研究

矿产资源伴生含层理、节理、裂隙等结构面的层状岩体,其中层状板岩在我国分布广泛,因抗拉性能差会导致多样工程灾害并影响资源开采。基于此,本文以木寨岭隧道软弱层状炭质板岩为研究对象,通过直缝半圆盘三点弯断裂试验(SCB),深入分析了层状板岩的张拉断裂特性,同时基于数字图像相关方法分析了不同层理倾角层状板岩裂纹起裂、扩展态势下的表面位移场演化特征。结果表明:①层状板岩在试验时均表现出典型脆性断裂破坏,SCB试验荷载—位移曲线发展态势较为相似,主要包含裂隙压密变形、线弹性变形、塑性弱屈服和瞬时跌落破坏4个阶段。但力学响应及峰值荷载差异极大;②受层理影响,不同层理倾角下的层状板岩呈现出显著各向异性力学性质,SCB试验试样峰值荷载受层理面影响差异巨大,divider试样为竖直层理试样峰值荷载的1.97倍;③层状板岩张拉断裂破坏形态复杂多变,虽然均从直缝尖端起裂,但其裂纹扩展态势随层理变化而呈现出巨大差异,具体如台阶型、链式折线型和笔直型等断裂形态;④基于DIC测取不同层理层状板岩试样缝尖至加载端散斑关注区表面水平位移场,进而揭示了由试样尖端起裂至裂纹扩展贯通形成的表面位移场断裂演化特征。相关研究成果可为层状岩体矿山掘进及开采的灾害防治奠定坚实理论和应用基础。

断续节理岩体破坏模式对强度特性的影响

为定量分析断续节理岩体破坏模式与强度的关系,基于离散元软件PFC2D标定了测试材料的强度包络线,并通过对不同节理倾角、排距和连通率的断续节理试样进行扩展数值模拟,研究了破坏模式对岩体强度特性的影响。计算结果表明,节理的倾角、排距、连通率均显著影响岩桥断裂机理,进而影响岩体强度和破坏模式;随着加载方向与节理夹角的减小、节理连通率或排距的增大,节理岩体的破坏模式逐渐由阶梯状张拉断裂转变为沿节理平面剪切断裂,张拉破坏的强度受排距的影响较大,而剪切破坏的强度受连通率影响较大;同时,破坏模式转变时的临界节理倾角αcrit与节理排距d、岩桥长度lr密切相关,其关系可用经验表达式αcrit=αcont-λlr/d来表示。