柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究

柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究
杨涛;卢文斌;阙相成
【摘要】Based on the model test of columnar jointed rock mass,the anisotropic characteristics of columnar jointed rock mass are investigated.A new method of simulating the interior joint of rock mass is used to make 3D printing of six prism joints with different inclination angles.The resin is as the joint printing material and the cement mortar is as the model material.The anisotropic properties of the jointed rock mass with the change of the dip angle of 0°-45° are investigated by the uniaxial compression test of the cube specimen.It is shown that the compressive strength of rock mass decreases with the gradual increasing of the angles between the extension direction and the vertical direction of the joint,and the failure mode of the cylinder under uniaxial compression is mainly shear failure.%通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2018(036)004
【总页数】4页(P575-578)
【关键词】柱状节理;各向异性;3D打印;单轴压缩试验
【作者】杨涛;卢文斌;阙相成
【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
柱状节理岩体常见于我国西南地区［1］，由于节理面的存在，其物理力学性质较为复杂.对于2013年开工的白鹤滩水电站坝区柱状节理玄武岩发育［2-5］，研究解决节理岩体性质成为不可避免的问题.对于岩体研究而言，原位试验能更精确获得岩体力学参数，但是需要投入太多人力物力，周期长，受场地条件限制［6］.而解析法需通过假设，如将断续节理岩体假设为均质连续体，所得解析解也因理论方法的不同而不同［7］.模型实验则既能节约资金，又能严格控制试样的各项参数，通过不同试验方式、改变参数来做到结果准确［8-9］.
本文采用较为简易的室内模型试验探究柱状节理岩体力学性质，将坝区节理岩体概化为规则六棱柱体，获得模型单轴压缩试验的强度变化规律及其破坏模式.
1 模型材料选择
研究要求模型材料与原型材料的物理、力学性能相似，在加载条件下，有足够的强度和承载能力；其次，要求材料不仅获取方便，还要容易制作不同体积大小、形状甚至含有结构面的各式模型；模型养护后还要求其物理力学性能与研究对象相同或相似，能够以模型材料制作的模型试验参数模拟实际情况.模型在制作过程中，便
于修补改变，不会对人员、环境造成危害，养护过程简单，变形较小，不受自然温度、压强等条件较大影响［10-11］.
水泥砂浆是由水泥、细骨料和水，即水泥+砂+水，可以根据需要配成不同强度的
砂浆.水泥砂浆黏结强度较高、保水性好、抗流挂性好、使用方便，一般用于基础、长期受水浸泡的地下室和承受较大外力的砌体.水泥砂浆材料成本低且易于获得，
容易成型，是一种被广泛使用的相似材料［12-14］.本文即使用水泥砂浆模拟柱
状节理岩体柱体，通过制作不同配比的水泥砂浆材料，与原岩的力学参数进行对比确定最佳配比，从而制作含节理模拟试件探究六棱柱节理岩体性质.最终对比后确
定的最佳配比为水泥∶砂∶水=1∶0.5∶0.4，其力学性质见表1.
表1 模型材料力学性质Tab.1 Mechanical properties of model materials配合
比1∶0.5∶0.4密度/（g·cm-3）1.15～1.18抗压强度/MPa 15.24～16.69弹性模量/GPa 1.02～2.11泊松比0.18～0.23
2 模型制作
模型试验中，由于节理面的存在，使得节理岩体的相似模型制作较为困难，现阶段探究的主要制作方法有：单个柱体粘合、预制或切割形成裂隙［15］.柱体粘合方
法最为常用，但是细长柱体脱模困难，往往产生断裂，且模型在切割时也通常会损坏，预制和切割内部节理则不能很好地得到理想节理面.3D打印技术很好地解决了这些问题，3D打印可以有效快速制作节理面，大大提高了模型的制作精度和效率. 3D打印是一种通过建立数字模型，以3D打印机为设备，塑料等粉末为打印材料，采用逐层铺设打印材料的方法制作模型的快速制造技术［16-17］.本文采用3D打印技术制作规则六棱柱节理岩体模型试件裂隙，模型试件完整，强度均匀，试验结果稳定，为探究节理岩体力学性质提供了高效适宜的模型制作方法，制作模型步骤如下.
1）CAD建立不同倾角（0°、15°、30°、45°）节理三维骨架，如图1所示.
2）使用3D打印机，打印材料为树脂，打印节理实体模型试件，制作浇筑模具，如图2所示.在水泥砂浆中添加5%速凝剂，及时将搅拌好的水泥砂浆装填入模具中，震动模具来填实减少气泡.
3）标准养护（20℃、相对湿度95%）28 d后脱模，脱模后试件如图3所示.为了便于试验观察，用黑色墨水笔描出节理痕迹.
图1 节理岩体CAD模型Fig.1 CAD model of jointed rock mass
图2 节理岩体模具Fig.2 Jointed rock mold
图3 柱状节理岩体试样Fig.3 Specimens of rock mass with columnar joints 3 单轴压缩试验
实验采用RMT-150B岩石试验系统对制作的六棱柱节理岩体进行单轴压缩试验，计算机记录应力应变变化情况.荷载控制加载，设定加载速率0.20 kN/s.
图4 不同倾角试件应力应变关系曲线Fig.4 Relationship of stress and strain curves at different dip angles
3.1 强度变化
不同倾角（0°、15°、30°、45°）六棱柱节理岩体模型试件单轴压缩应力应变曲线如图4所示，其中完整试件单轴压缩变形经历了4个典型阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和残余强度阶段［18］.
由图4可知，无节理试件、倾角0°、15°、30°、45°的节理试件峰值强度分别为16.262、11.758、6.820、6.444、3.214 MPa，其中0°、15°、30°、45°节理试件峰值强度较完整试件分别下降约28%、58%、60%、80%，其相应弹性模量也明显降低，可知节理面的存在明显削弱岩体强度，且节理面与竖向夹角越大，岩体强度削弱越明显.15°、30°倾角节理试件的应力应变曲线大致相同，表明15°～30°左右角度变化对强度影响较小.完整试件应变达到0.014时发生破坏，而节理试件的破坏数值均在0.035左右，说明节理试件塑性变形较大，同时节理面存在使材
料塑性增强.3D打印节理具有较大塑性，不易破碎，试验过程中使压缩破坏的柱体有效聚合，增加内部摩擦力，从而增加整个节理试件塑性.
图5 不同倾角试件破坏模式Fig.5 Failure modes of specimens with different dip angels
3.2 试件破坏模式
完整试件单轴压缩后，试件出现数条竖向贯穿裂隙，主要表现为压力超过试件轴向承载力后形成的竖向劈裂破坏裂隙.试件局部侧面出现整体滑移脱落.由于试件上下
表面不能完全平整而使得局部应力较大，部分角落劈裂破碎.
图5表明：与无节理试件不同，由于节理面的存在，节理岩体模型试件单轴压缩
试验后均不会出现侧面整体滑移脱落现象，而只会在模型倾角较大（45°）时表面出现个别柱体两端面的外鼓和剥落（45°）.对于0°倾角六棱柱节理岩体模型试件，加压后试件破坏模式主要为轴向张拉破坏，柱体与节理面脱离成为一个个孤立柱体，外侧柱体失去与节理面黏结后向外侧倾倒，部分柱体上部断裂剥落.15°模型试件相比0°试件出现明显的内部节理面和柱体破坏，主要由于柱体轴向和受力压缩方向
存在角度，柱体受剪力较大发生剪切破坏.外侧短柱剥离，长柱多断裂倾倒.30°试
件柱体多劈裂破坏，柱体受压且受节理约束后两端扩张导致膨胀碎裂，外侧柱体与试件整体黏结力小、没有节理面约束很容易脱离.45°倾角六棱柱节理岩体模型试件出现沿节理痕迹的贯穿裂隙，表面节理面与柱体接触面关系薄弱，最容易产生裂隙，使试件破坏逐渐失去承载力.试件柱体两端外鼓剥落明显，外侧柱体剥离.
3.3 柱体破坏特征
柱体破坏主要为两种破坏形式：裂纹沿柱体轴向的劈裂破坏及柱体横向剪切破坏［19］.
由图6可以看出，单轴压缩下，试件内柱体主要破坏为剪切破坏，少数柱体发生
劈裂破坏.破坏形式以剪切破坏为主，内部柱体剪切应力较大，超过抗剪强度.由于
柱体细长，易发生剪切断裂，且试件处于单轴受力情况下，侧向无围压约束，是试件剪切破坏为主的原因.由三轴破坏试验可知，围压情况下试件劈裂破坏明显.围压越大，剪切破坏柱体则越少［20］.实际岩体破坏以劈裂破坏为主.
图6 柱体破坏形态Fig.6 The failure modes of the columns
4 结论
本文选取水泥砂浆作为模型试件材料，泥∶砂∶水配合比为1∶0.5∶0.4，使用3D 打印技术制作节理面整体，浇筑养护得到模型试件.对六棱柱节理岩体模型试件进行单轴压缩试验，结果表明：柱体轴向与竖直方向夹角为0°即正轴时试件强度最大，15°时强度下降明显，15°、30°、45°屈服强度依次降低，倾角越大，对试件强度削弱影响越大.15°、30°、45°试件塑性增加，破坏时应变更大.破坏后的试件内柱体多发生剪切破坏.试件表面有水泥砂浆剥落，部分柱体脱落、倾倒.
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