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。

基于数字图像相关方法的层状板岩Ⅰ型断裂特性研究

横观各向同性层状岩体的Ⅰ型张拉断裂破坏作为岩土工程常见问题受到广泛关注,对其开展研究具有重要的科学意义。本文以岷县木寨岭隧道炭质板岩为研究对象,利用CCD高速相机搭建观测系统来开展不同层理状态下直缝半圆盘三点弯(SCB)试验,通过数字图像相关方法分析炭质板岩裂纹扩展表面位移场演化特征和断裂过程区,研究结果表明:炭质板岩试样在韧带仅为宽度0.4 mm的人工直缝尖端应力集中程度高,起裂易发生,导致相应峰值破坏载荷均较小,且断裂破坏呈显著脆性;炭质板岩层理对其张拉断裂特性显著影响,典型层理如ME,MD,MA型试样断裂韧度依次为0.195,0.097,0.168 MPa·m;通过数字方法揭示了试样裂纹起裂及断裂演化的拓展过程,断裂扩展路径受层理影响有显著差异;基于缝端口张开位移和缝尖表面位移场关系,提出了计算断裂过程区长度的简化方法,对比理论解结果较为接近,具有科学、合理性。