不同倾角岩体结构面在循环动力扰动下的力学特性

于永江¹，刘峰²，岳宏亮³，张伟⁴，张仕鹏¹，王鹏博¹

1. 辽宁工程技术大学矿业学院2. 中煤平朔集团有限公司3. 河北科技大学建筑工程学院4. 甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院

摘 要：为了研究大型硐室或边坡中不同倾角岩体结构面在动力扰动下的变形特征和破坏机理,采用微控电液伺服疲劳试验机对不同倾角结构面岩石进行不同振幅的周期性动力扰动力学试验,实验结果表明:动力扰动下结构面岩石试件发生破坏时产生大量的沿着轴向发展的竖向裂纹,随后结构面岩石试件碎裂成相对较薄的片状或条状碎屑,在宏观上表现出沿着结构面倾向膨胀;每次加、卸载的应力应变曲线都会形成一条封闭的滞后环曲线,且该曲线总体呈现出疏—密—疏3个阶段的特征;在结构面岩体倾角一定时,滞后环曲线的面积及岩体的变形模量随着扰动应力幅值的增大而增大,表明扰动振幅增加使得扰动岩石在每个循环周期中内部积聚更多可消耗的能量,用于矿物颗粒之间的黏滑消耗以及原有微裂纹的增生和新裂纹的产生,导致岩石达到破坏所需的累积不可逆变形总量会降低,劣化试件的抗载性能;当扰动应力幅值一定时,滞后环曲线的变化幅度随着结构面岩体倾角的逐渐增大而增大,岩体的变形模量随之减小,岩石的阻尼比呈现先减小,然后稳定,再增大的趋势,反映了岩石中裂隙从初始变形（空隙压密）到等速变形（微破裂稳定发展）到加速变形（裂隙贯通）后整体破坏的过程;结构面岩石试件发生破坏的扰动应力幅值存在一个可用静载荷和结构面倾角进行确定的扰动阈值,当扰动应力幅值<扰动阈值时,随着循环加卸载周期的增大,塑性应变值趋于稳定值,结构面岩石未发生破坏,岩石塑性应变积累值与扰动循环加载次数符合负指数函数,反之,当扰动应力幅值>扰动阈值时,岩石塑性应变积累值与扰动循环加载次数的关系符合朗之万函数逆函数,对这2种函数中待定参数值变化对损伤曲线簇的影响规律分析,确定了该函数中待定参数的物理意义,并通过不同振幅循环加卸载条件下不同倾角结构面岩石内部能量变化过程分析,揭示了结构面岩石在循环荷载作用下的能量破坏机制。

关键词：岩体结构面;扰动应力;不同倾角岩体;滞后环曲线;扰动阈值;