危岩主控结构面端部区域应力特征研究

张景昱 陈洪凯

摘 要：危岩主控结构面端部区域的应力变化是导致危岩破坏的主要因素。针对压剪破坏型危岩，进行室内模型试验。主控结构面端部区域的平面应力状态可以用两个主应变ε1和ε2来表示，在模型主控结构面端部布置了5个测点，试验量测到5个测点在施加荷载过程中两个主应力的变化曲线；对试验结果分析表明，危岩主控结构面端部区域的1#、4#和5#测点的主应变在所施加荷载逐渐增加的情况下，变化较大；2#和3#测点的主应变的变化较小。说明1#、4#和5#测点的主应力变化最为敏感，敏感程度1#>4#>5#>3#>2#；3#测点在整个过程中两个主应力方向上均处于受压状态。

关键词：危岩 主控结构面 主应变 模型试验

中图分类号：P642.2 文献标示码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0026-02

危岩崩塌是我国山区主要地质灾害类型之一，其破坏具有突发性、强致灾行和泛生性，严重威胁山地公路、铁道干线和城镇居民安全等。危岩崩塌破坏的根本原因是其主控结构面裂纹端部的扩展，而其扩展是由于主控结构面端部区域应力应变的变化，探索危岩主控结构面端部应力应变的变化是揭示危岩破坏机理的关键环节之一。

迄今，在危岩破坏机理方面公开报道的研究成果较少，陈洪凯、鲜学福和唐红梅探讨了崩塌灾害形成机制[1]，基于损伤力学和断裂力学探讨了危岩主控结构面端部损伤特性[2]和在裂隙水压力作用下的疲劳断裂特性[3]，提出了危岩断裂稳定性分析方法[4]，分析了危岩块崩落瞬间可能出现的激振效应[5]及危岩块弹冲动力参数[6]，初步揭示了陡崖上群发性危岩块的崩落序列[7]。上述研究基本未对危岩主控结构面端部区域应力应变进行分析，因此，该文通过模型试验，以压剪破坏型危岩为例，探索危岩主控结构面端部应力应变在扩展前的变化，进一步揭示危岩破坏机理。

1 危岩主控结构面端部应力场试验

1.1 试验模型

针对压剪破坏型危岩，建造试验模型如图1所示，试件含预制斜裂纹60 mm，且斜裂纹倾斜角为75°，布置了五个应变测点（图2），其中1#测点位于危岩主控结构面端部，2#测点位于1#测点正下方5 cm处，3#测点位于1#测点水平右方5 cm处，5#测点位于3#测点正下方5 cm处，4#测点为以上四个测点组成正方形的形心。

模拟危岩的试件用M25水泥砂浆制成，配合比为水泥：砂：水=1∶3.15∶0.63，其抗压强度为16.83 MPa，抗拉强度为0.89 MPa，重度为20.13 kN/m3，弹性模量3.37 GPa，泊松比0.19。

2.2 试验荷载

模型中，施加的荷载位于主控结构面右段（图3），每级荷载为2 MPa，至试件裂纹扩展为止，且每级荷载暂停1 min。该模型试验重点关注主控结构面端部扩展前1#、2#、3#、4#和5#各测点所采集的应变数据。

3 试验结果分析

3.1 测点应变变化趋势图

各测点平面主应变分别为ε1和ε2，试件主控面开始扩展前所得数据处理后如4（a）、（b）、（c）、（d）和（e）所示。

从图4可以看出，

（1）在主控面扩展前，施加的荷载依次为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa，在8 MPa以后主控面开始扩展。

（2）施加荷載达到2 MPa时，1#和4#测点的压应变ε2较大于其他3个测点，分别为-209.8με和-166.2 με；1#和5#测点的拉应变ε1较大于其它三各测点，分别为65.5 με和48.7 με。

当荷载达到4 MPa时，1#、4#和5#测点压应变ε2较大，分别为-588με、-412.9 με和-384.8 με；1#和5#测点的拉应变ε1较大，分别为175.2 με和138.3 με。

当荷载达到6 MPa时，1#、4#和5#测点压应变ε2较大，分别为-1093.5με、-1025.3 με和-689.1 με；1#和5#测点的拉应变ε1较大，分别为297.2με和233.7με。

当荷载达到8 MPa时，1#、4#和5#测点压应变ε2较大，分别为-1836.5με、-1733.9με和-1092.6με；1#和5#测点的拉应变ε1较大，分别为457.4με和367.2με。

各级荷载下测点主应变情况列表如表1所示。

（3）1#、4#和5#测点的主应变在所施加荷载逐渐增加的情况下，变化较大；2#和3#测点的主应变的变化较小。说明在该模型试验中，1#、4#和5#测点在主控面扩展前主应力变化最为敏感，且变化程度为1#>4#>5#>3#>2#。

（4）1#、2#、4#和5#测点的两个主应变ε1和ε2均为一正一负，即一个受拉一个受压；而3#测点则全为负值，说明该测点的两个主应力方向上全为受压状态。

3 结论

危岩主控结构面端部附近区域的平面应力变化情况可用两个主应变ε1和ε2来表示，负值表示受压，正值表示受拉。基于压剪破坏型危岩室内模型试验，该文主控面端部区域各测点的主应变变化情况进行了分析，得到如下结论。

（1）通过压剪破型危岩室内模型试验，利用应变片采集了主控结构面端部区域的应力变化状态，获得各测点主应力变化趋势图。

（2）危岩主控结构面端部区域的1#、4#和5#测点的主应变在所施加荷载逐渐增加的情况下，变化较大；2#和3#测点的主应变的变化较小。且1#、4#和5#测点的主应力变化最大，变化程度1#>4#> 5#>3#>2#。

（3）1#、2#、4#和5#测点的两个主应力ε1和ε2均为一正一负，即一个受拉一个受压；而3#测点则全为负值，说明该测点的两个主应力方向上在整个施加何在过程中全为受压状态。

参考文献

[1] 陈洪凯，鲜学福，唐红梅.石质山区崩塌灾害形成机理[J].四川大学学报：工科版，2010，42（3）：1-6.

[2] CHEN Hong-kai，TANG Hong-mei，YE Si-qiao.Damage model of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mechanics，2006，27（7）：967-974.

[3] CHEN Hong-kai，TANG Hong-mei.Method to calculate fatigue fracture life of control fissure in perilous rock[J].Applied Mathematics and Mecha-nics， 2007，28（5）：643-649.

[4] 陈洪凯，鲜学福，唐红梅.危岩稳定性断裂力学计算方法[J].重庆大学学报，2009，32（4）：434-437.

[5] 唐红梅，王智，鲜学福，等.坠落式危岩剧动式崩落与激震效应[J].重庆大学学报，2011，34（10）：39-45.

[6] 陈洪凯，张瑞刚，唐红梅，等.压剪型危岩破坏弹冲动力参数研究[J].振动与冲击，2012，31（24）：33-36.

[7] 唐红梅，王林峰，陈洪凯，等.软弱基座陡崖危岩崩落序列[J].岩土工程学报，2010，32（2）：205-210.