加锚节理岩体的裂隙率在不同工况下的变化

选取CT试验中所有工况下的扫描图像中的同一断层图像,将选出来的18张同一断层的图像经过前文介绍的方法进行图像处理,最终得到清晰的二值化图像,如图3.36和图3.37所示。

图3.36　不同节理倾角试件的同一断层的二值化图像

图3.37　不同节理面粗糙度试件的同一断层的二值化图像

图3.36和图3.37为不同节理倾角、不同节理面粗糙度以及不同状态阶段下的同一断层的二值化图像。从图3.37中能够看出:在剪切作用下,加锚节理试件受到破坏,出现大量裂隙,当达到首次剪切峰值强度时,裂隙已经遍布断层的各处,但是裂隙没有贯通起来,未能形成裂隙区域,钢筋周围的注浆体和试件均已开始产生裂隙并呈现继续增加的趋势;待达到二次剪切峰值强度时,贯通的裂隙已经连成区域,对应于图中大量的黑色部分,钢筋周围的裂隙继续产生破碎带,此时随着试件的变形,锚杆也出现屈服变形。

将处理后的图像利用统计学的方法进行裂隙率的统计分析,具体为:在图3.36和图3.37阈值分割图像中,需要统计裂隙部分(即图中黑色部分)的像素数目,利用式(3.7)和式(3.8)能够计算出裂隙部分与占扫描断层的比例,计算结果见表3.3和表3.4。

式中　V——断层裂隙面积,mm2;

N——图像中黑色像素的个数;

V1——模型单元体积,mm3;

V0——断层的总面积,mm2。

表3.3　不同工况下加锚节理试件某一断层的裂隙率(不同节理倾角)(www.xing528.com)

续表

表3.4　不同工况下加锚节理试件某一断层的裂隙率(不同节理面粗糙度)

保证表3.3和表3.4中的数据均是来自所有加锚节理试件的同一位置的同一断层,目的是确保不同工况下的数据之间具有对比性。同一节理倾角、节理面粗糙度下加锚节理岩体在不同状态下,同一断层的裂隙率随剪切力的继续施加而增加。随着剪切力的增加,断层的裂隙率也随之出现增长,进而说明断层的破碎程度也随之被提高。

从表3.3中,对比不同节理倾角之间同一断层的裂隙率可以看出,断层裂隙率在不同状态下随着节理倾角的变化而呈现出不同的增长幅度,节理倾角为0°时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了42.67%;节理倾角为30°时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了39.41%;节理倾角为45°时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了33.3%;节理倾角为60°时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了36.24%。

从表3.4中,对比不同节理面粗糙度之间同一断层的裂隙率可以看出,断层裂隙率在不同状态下随着节理面粗糙度的变化而呈现出不同的增长幅度,JRC为0时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了59.82%;JRC为3时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了64.53%;JRC为9时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了56.30%;JRC为16时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了42.71%;JRC为21时的加锚节理试件在整个剪切试验过程中的裂隙增长了50.14%。

将计算后得到的各受力阶段下的不同节理面倾角和节理面粗糙度的裂隙增长情况进行统计并绘制成图3.38和图3.39。从上面两幅图中,能直观地看出节理倾角和节理面粗糙度的改变对加锚节理试件内部裂隙产生速率的影响,节理倾角变化时,随着倾角从0°～60°,其剪切试验过程中总的增长量呈现出先减小,倾角为45°时达到最小,然后增大的趋势;其变化速率(即各曲线的每段斜率)从最开始的缓慢降低到45°后又随即上升,45°为曲线转折点。结合第二节的剪切试验部分得出,当节理倾角为45°时,剪切作用对加锚节理试件的破坏相对较小,使得其剪切峰值强度为各加锚节理试件中最大的;节理面粗糙度变化时,随着JRC从0到21,其剪切试验过程中总的增长量呈现出先减小,到JRC为16时达到最小,然后呈增大的趋势;其变化速率(即各曲线的每段斜率)从最开始的缓慢降低到JRC为16后又随即上升,当JRC为16时,为曲线转折点。结合前文剪切试验部分得出,当JRC为16时,剪切作用对加锚节理试件的破坏相对较小,使剪切峰值强度为各加锚节理试件中最大的。由前文可知:随着节理倾角的变化,岩体总的裂隙增量与其试件峰值强度的变化趋势呈负相关,即剪切峰值强度越大,试件总的裂隙增量越小。随着节理面粗糙度的变化,试件总的裂隙增量与其试件峰值强度的变化趋势也呈负相关,即剪切峰值强度越大,试件总的裂隙增量越小。当加锚节理试件经过剪切荷载作用后,内部断层的裂隙率增长较快将会造成试件抵抗外部荷载的能力降低,从而导致其剪切强度降低。

图3.38　不同节理倾角下试件的裂隙增长情况与剪切强度的相关性

图3.39　不同节理面粗糙度下试件的裂隙增长情况与剪切强度的相关性