層狀巖體力學(xué)特性的試驗研究

層狀巖體力學(xué)特性的試驗研究

在長期沉積過程中，塊狀巖石是巖石工程中最常見的巖石之一。多年來,許多學(xué)者對其進行了卓有成效的研究。層狀巖體層間往往具有一定的結(jié)合力,這種結(jié)合力主要來自沉積過程中的高壓、晶體間膠結(jié)物的粘合、晶體間的嵌合膠結(jié)力等。各亞層即使很薄、很脆弱,總存在結(jié)合力。層狀巖體以梁的形式受載及變形也是一種常見的工程現(xiàn)象。因此,進行層狀巖石的有關(guān)實驗研究,有助于進一步弄清層狀巖體層間力學(xué)特性,以利于進一步研究層狀巖體的工程穩(wěn)定性。1評分交界面對于圖1中的3層層狀巖石,加載方向為σ1、σ2、σ3,3層巖石分別為1、2、3,彈性模量分別為E1、E2、E3,泊松比分別為μ1、μ2、μ3。按莫爾理論及文獻的研究思路,巖層1與巖層2交界面處的應(yīng)力分量為:σ(1)1+=σ1σ(1)2+=?θ(12)2σ3+(1+θ(12)1)σ2?θ(12)3σ1σ(1)3+=(1+θ(12)1)σ3?θ(12)2σ2?θ(12)3σ1σ(2)1+=σ1σ(2)2+=θ(12)2σ3+(1?θ(12)1)σ2+θ(12)3σ1σ(2)3+=(1?θ(12)1)σ3+θ(12)2σ2+θ(12)3σ1?????????????????????????????(1)σ1+(1)=σ1σ2+(1)=-θ2(12)σ3+(1+θ1(12))σ2-θ3(12)σ1σ3+(1)=(1+θ1(12))σ3-θ2(12)σ2-θ3(12)σ1σ1+(2)=σ1σ2+(2)=θ2(12)σ3+(1-θ1(12))σ2+θ3(12)σ1σ3+(2)=(1-θ1(12))σ3+θ2(12)σ2+θ3(12)σ1}(1)式中θ(12)1、2、31、2、3(12)為關(guān)于E、μ的材料系數(shù),上標(biāo)(1)、(2)分別表示層狀巖石的1、2分層,上標(biāo)(12)表示1、2分層的交界面,“+”號表示1、2分層交界面。同理可類推出2、3分層交界面的應(yīng)力表達式。對于膠結(jié)力強的層狀巖梁,將合成一個整體,當(dāng)受載彎曲時,僅有一個中性層,此時第j層巖石在n層層狀巖石中的軸向應(yīng)力為σj2=MYjEj∑i=1nEiIi(2)σj2=ΜYjEj∑i=1nEiΙi(2)式中M為整個層狀巖梁所受到的彎矩;Yj為第j層中所考察應(yīng)力點的位置到層狀巖梁中性軸的垂直距離;Ej為所考察應(yīng)力處的亞層彈性模量,Ei、Ii分別為第i層巖石的彈性模量和中性軸慣性矩。對于弱性膠合的層狀巖梁,當(dāng)出現(xiàn)層間滑動錯位甚至離層時,分層巖石相當(dāng)于單層巖梁,其應(yīng)力為σj2=MYjIj(3)σj2=ΜYjΙj(3)而σj1、σj3分別與外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相等,即σj1=σ1,σj3=σ3(4)這對水平巖梁是適用的。由此可知,交界面處的應(yīng)力狀態(tài)顯然比遠離交界面的分層巖石內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)要復(fù)雜。2層間膠合強度的影響采用現(xiàn)場取樣并加工制成層狀巖石梁,測量其應(yīng)變、撓度,并推算其中的應(yīng)力、彎矩,可研究層狀巖梁受載時的變形特性。圖2是不同膠結(jié)強度下的M-δ關(guān)系曲線。其中強粘結(jié)巖梁的M-δ關(guān)系方程式為M=1.1287δ1.1231(5)弱粘結(jié)巖梁的M-δ方程為M=0.3893δ1.2698(6)由此可看出,層間膠結(jié)強度對層狀巖梁變形特性的影響。膠結(jié)強度弱的層狀巖石梁隨載荷增加的彎矩M在不斷上升時,梁中部的下沉撓度δ會相應(yīng)增加,但近似呈線性關(guān)系,而強膠結(jié)層面的層狀巖石梁的M-δ關(guān)系則表現(xiàn)出加速增加的趨勢,此時層狀巖石梁的下層表面的拉應(yīng)力上升更快。對于強力膠合的層狀巖石梁,相當(dāng)于一個整體梁,其變形量以梁的下表面及上表面為最大,接近層狀巖梁中性軸附近的變形量最小。同時由于層狀巖石梁中各亞層的彈性模量的差異,將造成應(yīng)變呈非線性變化。在交界面處有一個應(yīng)變過渡層,在其兩側(cè)附近,彈性模量較低的巖層會受到彈性模量較高的巖層的高應(yīng)力牽制,出現(xiàn)應(yīng)變增加的趨勢;另一方面,彈性模量較高的一側(cè)巖層又會受到彈性模量較低的一側(cè)巖層的約束而使應(yīng)變出現(xiàn)減少的趨勢。在對不同粘結(jié)強度的層狀巖梁進行應(yīng)力應(yīng)變測試的同時,繼續(xù)測出其彎折破壞強度值,可從中觀察到層狀巖梁受層間膠合強度的影響程度。實驗采用了相同的巖石亞層組合和尺寸,僅粘結(jié)劑不同,試驗結(jié)果見表1。上述測試結(jié)果表明,層間膠結(jié)力增強時,層狀巖梁的整體性和破壞強度有所提高,且破壞過程有所延長。層間膠結(jié)力較小時,層狀巖梁加載后不久即演變?yōu)槎鄬訂我粠r層受載及變形,抗彎能力及破壞強度隨之降低。3抗壓強度與層間應(yīng)力(1)實驗研究表明,層間強度與層狀巖石應(yīng)力應(yīng)變、力學(xué)參數(shù)、彎矩繞度及強度、剛度等的關(guān)系密切,對整體巖性影響甚大。它在相當(dāng)程度上決定著層狀巖體工程斷裂破壞與整體穩(wěn)定性。(2)層狀巖石的強度不僅取決于各亞層巖石的力學(xué)參數(shù),而且還取決于層狀巖體層間力學(xué)狀態(tài)與力學(xué)參數(shù),以及層間結(jié)構(gòu)物。最終強度