含层理结构面层状板岩张拉断裂的DIC试验研究.pdf
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1、Series No.570December 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第570 期2023 年第 12 期收稿日期 2023-08-29基金项目 河南省重点研发与推广专项(科技攻关)项目(编号:232102320098,232102320246,232102321002);河南省教育厅教育科学规划一般项目(编号:2023YB0242)。作者简介 李二强(1987),男,讲师,博士。通信作者 李明玉(1989),男,讲师,博士。含层理结构面层状板岩张拉断裂的 DIC 试验研究李二强1 邓小卫2 宋白杨1 李明玉1 赵宁宁3 冯吉利4(1.洛阳理工学院土木工程学院,河南 洛
2、阳 471023;2.建设综合勘察研究设计院有限公司,北京 100007;3.河南理工大学土木工程学院,河南 焦作 454000;4.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)摘 要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:层状板岩在试验时均表现出典型脆性断裂破坏,SCB
3、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;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;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;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
4、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。关键词 层状板岩 直缝半圆盘三点弯试验 张拉断裂 数字图像相关方法 断裂演化 中图分类号 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-12-050-06DOI 10.19614/ki.jsks.202312008DIC Experimental Investigation on Tensile Fracture of Layered Slate with Bedding PlanesLI Erqiang1 DENG Xiaowei2 SONG Baiyang1 LI Mingyu1 ZHAO Ningning3 FEN
5、G Jili4(1.School of Civil Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China;2.CIGIS(China)Limited,Beijing 100007,China;3.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;4.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,B
6、eijing 100083,China)AbstractMineral resources are often accompanied by layered rock masses with structural planes such as bedding,joints,and fine cleftiness.Among them,layered slate is widely distributed in China,and its poor tensile performance can lead to various engineering disasters and affect r
7、esource extraction.Based on this,we take the weak layered carbonaceous slate of Muzhailing tunnel as the research object,and conduct deep analysis of the tensile fracture characteristics of the layered slate through semi-circular bending(SCB)test.Meanwhile,based on digital image correlation(DIC)meth
8、ods,the evolution charac-teristics of the surface displacement field under the initiation and propagation of cracks in layered slate with different bedding angles are analyzed.The results indicate that:Layered slate exhibits typical brittle fracture failure during testing,and the devel-opment trend
9、of load-displacement curves in SCB test is relatively similar,mainly including four stages:crack compaction de-formation,linear elastic deformation,plastic weak yield,and instantaneous drop failure.However,there is a significant differ-ence in mechanical response and peak load;Due to the influence o
10、f weak bedding planes,layered slate with different bedding angles exhibits significant anisotropic mechanical properties.The peak load of SCB test varies greatly due to the influence of bedding planes,with the divider specimen being 1.97 times the peak load of the vertical bedding specimen;The tensi
11、le fracture failure modes of layered slate are complex and varied.Although they all crack from the tip of the straight tip,the crack propaga-tion trend varies greatly with the changes in bedding,such as step type,chain type broken line type,and straight type;Based on DIC measurement of the horizonta
12、l displacement field on the surface of the speckle area from the crack tip to the loading end of 05different layered slate specimens,the fracture evolution characteristics of the surface displacement field formed from the crack tip initiation to crack propagation and penetration were revealed.The re
13、levant research results can lay a solid theoretical and practical foundation for disaster prevention and control in the excavation and mining of layered rock mines.Keywords layered slate,semi-circular bending test,tensile fracture,digital image correlation method,fracture evolution 我国各类金属矿产资源储量丰富,其中
14、多分布于含层理、节理、裂隙等结构面的层状岩体,由于其复杂多变的各向异性力学特性,通常会引起因抗拉性能差而导致的多样工程灾害1-2。由此,对其相关层状岩体张拉断裂特性进行深入研究是矿山工程建设与开发的迫切需要。据相关调查,层状岩石种类众多,主要包含常见的石灰岩、砂岩、页岩等沉积岩,以及片麻岩、板岩、千枚岩等变质岩。其中,层状板岩广泛分布于我国西北、西南等地区,伴随我国矿山资源的开发、建设,作为典型横观各向同性岩体呈现出复杂断裂破坏特征,由层状板岩引起多起巷道失稳、露天矿滑坡等严重灾害问题。国内外学者对典型层状岩开展了丰富的相关研究。如 Tavallali 等3基于室内试验研究了层状砂质板岩的抗拉
15、力学性能及裂纹演化规律。丁长栋、Li 等4-5基于室内试验和单弱面理论研究了层理对层状板岩抗压、抗拉强度特征和破坏机制的影响。Debecker 等6基于试验、声发射手段和离散元对层状板岩断裂破坏进行了系统研究。Garcia-Fernandez等7基于系统的室内巴西劈裂和直接剪切试验,深入分析了层理与剪切破坏的密切关系。针对层状岩断裂研究,直缝半圆盘三点弯试验(SCB,即 Semi-circular bend)因其制作简单、操作方便使其在相关材料断裂研究中应用广泛8-11。李英杰、Wang 等10-11均开展了层状页岩 SCB 试验,系统分析了不同层理倾角下的裂纹扩展与型断裂韧度。针对层状板岩断
16、裂研究,当前有 Ulusay、Alam 等12-13基于 V 型切口三点弯岩芯梁试验和楔形劈拉开展了层状板岩张拉断裂特性的简要测试,另外主要有 Li、Zhao 等14-15开展了相关的试验和数值分析研究。当前,数字图像相关方法(DIC,即 digital image correla-tion)因其无接触、直观形象和测量精度高等特点而广泛应用于各类试验研究16-19。其中,如 Dutler等16针对层状闪长岩开展了巴西劈裂和 SCB 试验测定其抗拉强度和张拉断裂韧性,同时基于 DIC 研究了裂纹演化的全场变形规律。另外,宋义敏、Lin等17-19分别针对花岗岩和砂岩开展了基于 DIC 的岩石断裂
17、条件下的裂纹起裂、扩展演化等破坏模式分析。综上可见,现阶段虽然对层状板岩开展了试验、数值计算等大量研究,但是针对层状板岩 SCB 断裂特性以及结合 DIC 的张拉断裂特性研究仍较为匮乏。对此,相关研究还有待进一步深入开展。本研究利用高速相机搭建 SCB 测试平台,进而开展层状板岩 SCB 张拉断裂试验,基于 DIC 对加载过程中不同层理倾角层状板岩试样的断裂演化进行全场变形观测,分析不同层理倾角层状板岩在张拉断裂条件下裂纹由起裂、开展至完全断裂时表面位移变形场演化规律。1 试验简介1.1 试样制备本研究所采用岩样为层状炭质板岩。取样于陕西岷县西秦岭地域山区木寨岭隧道中段,因地形险峻隧址处于地质
18、构造板块活跃地带,褶皱及断层破碎现象显著。由现场调研可见,该处层状板岩层理发育明显,且施工裸露后巷道围岩及掌子面多呈碎裂状松散结构。现场木寨岭隧道条件如图 1 所示。图 1 木寨岭隧道及其赋存层状板岩Fig.1 Muzhailing tunnel and its layered slate为保证试验较小离散性,本研究试样均取木寨岭隧道同一掌子面,按照试验要求规格和精度加工层状板岩 SCB 试样。其具体加工流程可分为如下三步:按特定层理状态钻取直径 50 mm 圆柱;将圆柱切割为厚约 25 mm 圆盘半成品;利用直径为 0.4 mm 金刚砂线锯按特定状态切割以平分圆盘,并按预定切缝切割长为 10
19、 mm 直缝。由此获得不同层理倾角层状板岩 SCB 试样,具体试样如图 2 所示。图 2 层状板岩 SCB 试样Fig.2 SCB specimens of layered slate1.2 试验仪器及加载简介层状板岩承受荷载对比砂岩、花岗岩等较小,由15 李二强等:含层理结构面层状板岩张拉断裂的 DIC 试验研究 2023 年第 12 期此该岩样最适合采用小型高精密试验系统,经过前期调研测试,本研究采用单轴光弹加载仪开展 SCB 试验,该设备轴向最大加载为 3 t,精度为 0.1 N,同时具有操作简便、稳定以及精度高等试验优点,具体加载系统如图 3 所示。图 3 层状板岩 SCB 加载系统F
20、ig.3 SCB test system for layered slate本研究层状板岩加载以位移控制,设定速率为0.1 mm/min 以满足规范和静态加载条件。由于直缝宽度为 0.4 mm,则试样在缝尖应力集中显著,各组试样加载历时较短,随加载位移增大,荷载也随之增大,在达到峰值荷载时发生“咯嘣”巨响的瞬时脆性断裂破坏。2 试验结果2.1 层状板岩力学响应鉴于数据繁多,特选取 MA-3(0)、MB-2(30)、MC-1(45)、MD-1(60)、ME-2(90)及 MF-3(divi-der)作为不同层理倾角下的典型层状板岩 SCB 试验结果进行分析,整理所得相应荷载位移曲线如图 4所示。
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