砂巖單向壓縮條件下的變形特性及破壞模式研究

夏洪春，朱訓(xùn)國

(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.大連大學(xué) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測與控制遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622)

在荷載作用下，巖石首先會發(fā)生變形，隨后，當(dāng)作用的荷載不斷增大，或者在荷載超過某一數(shù)值而保持恒定時(shí)，隨著這個(gè)恒定荷載作用時(shí)間的增長，均可導(dǎo)致巖石的破壞。

因此，巖石的變形和破壞，是在荷載作用下巖石性能變化過程中的兩個(gè)不同階段。在變形階段中也包含有巖石破壞的因素，而巖石破壞階段也可以看作是變形不斷發(fā)展的結(jié)果。

地下工程，如隧道、巷道等構(gòu)筑物上的巖石壓力是由于巖石變形和破壞而產(chǎn)生的。因此，研究巖石的變形特性和破壞模式對地下工程的安全而言就有重大意義。

多年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對此問題進(jìn)行了大量的研究。牛雙建等[1]采用MTS815剛性伺服試驗(yàn)機(jī)，研究了不同加載路徑下砂巖的破壞模式；韓鐵林等[2]采用WDT-1500多功能材料試驗(yàn)機(jī)，通過三軸試驗(yàn)研究了不同應(yīng)力路徑下砂巖力學(xué)特性。楊圣奇等[3]采用巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)與聲發(fā)射儀，對含孔洞裂隙砂巖的力學(xué)特性進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。蘇承東等[4]利用自制裝置在RMT-150B電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對義馬新安煤層頂板砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖等煤層頂板破碎巖石壓實(shí)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。宋義敏等[5]以白光數(shù)字散斑相關(guān)方法作為試驗(yàn)觀測手段，通過單軸壓縮試驗(yàn)對一種紅砂巖變形破壞全過程的變形場和能量演化特征進(jìn)行研究；張艷博等[6]通過對含水砂巖進(jìn)行單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取聲發(fā)射信號，深入研究了砂巖在破壞過程中的頻譜特性；鄧華鋒等[7]通過巴西盤試驗(yàn)，研究了其對巖石劈裂抗拉強(qiáng)度的影響；趙寶云等[8]以重慶市典型的紅砂巖為研究對象，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)加工的巖石單軸直接拉伸裝置進(jìn)行該紅砂巖的單軸直接拉伸蠕變試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，研究紅砂巖在單軸直接拉伸作用下的軸向蠕變、側(cè)向蠕變以及卸荷蠕變規(guī)律，并探討紅砂巖蠕變斷裂特征。郭臣業(yè)等[9]利用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對永川煤礦砂巖樣進(jìn)行三軸等圍壓試驗(yàn)，深入研究了砂巖在不同加載條件下的峰后變形、破壞和應(yīng)變能特征。沈明榮第[10]通過對完整紅砂巖在CSS-2950巖石雙軸流變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的單軸壓縮蠕變試驗(yàn)，利用過渡蠕變法、等時(shí)曲線法探討了這些方法確定巖石長期強(qiáng)度在理論上的正確性和試驗(yàn)方法的可操作性；張志鎮(zhèn)等[11]利用MTS815.02試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同加載速率下紅砂巖能量演化及分配規(guī)律。劉東燕等[12]應(yīng)用自行研制的巖石直接拉伸裝置對紅砂巖進(jìn)行了單軸直接拉伸蠕變試驗(yàn)，得到了在低應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變規(guī)律，并據(jù)此對Burgers蠕變模型進(jìn)行了改進(jìn)。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，利用MTS815 剛性伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，對同煤集團(tuán)晉華宮煤礦402盤區(qū)5210巷道頂板砂巖的變形特性進(jìn)行深入研究，以期獲得砂巖在無側(cè)限單軸抗壓荷載作用下的破壞特征和變形規(guī)律，為回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)等技術(shù)問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)試樣

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用圖1所示MTS815.03巖石伺服機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)最大加載荷載為2 800 kN，最大圍壓為80 MPa，可進(jìn)行常規(guī)和高溫條件下的各種加卸載和滲流試驗(yàn)，是目前研究巖石特性的主要儀器之一。

圖1 MTS815.03伺服試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)試樣

進(jìn)行試驗(yàn)的巖石試塊采自402盤區(qū)8210工作面，取樣位置分別位于距開切眼1 030 m和1 400 m處。在現(xiàn)場采用鉆孔取芯，取得巖樣后即密封，以保證與現(xiàn)場有相同的濕度和含水率。巖樣有三種，分別為粉細(xì)互層巖、細(xì)砂巖、中粗砂巖。取樣后運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程在實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)巖石試件。

關(guān)于單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣，加工后為圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)試件(見圖2)，其高徑比為2∶1。試件尺寸如表1所示。

圖2 試驗(yàn)加載巖石試樣圖

表1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣尺寸

2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮試樣破壞模式分析

壓縮試樣采用圖2試樣，試驗(yàn)在MTS電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，對試樣加載方式采用自動控制系統(tǒng)，可以避免壓力達(dá)到試件極限強(qiáng)度后迅速破壞而得不到壓力峰值后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，峰前加載速度采用0.1 mm/s，峰后加載速度采用0.2 mm/s。圖3為部分中粗砂巖試樣破壞后的試件典型照片。

文獻(xiàn)[1] 通過試驗(yàn)，提出了巖石試樣破壞形式主要有劈裂破壞和剪切破壞。但本文通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石試樣的破壞形式還包括其他類型。從宏觀角度分析，圖3中巖石試樣的破壞形式包括文獻(xiàn)[1]中所提到的劈裂破壞，如試樣1400-3#主要是單貫通劈裂破壞，試樣1030-2#則是多裂紋貫通劈裂破壞；除了劈裂破壞外，還存在以剪切破壞為主，局部張拉破壞的破壞模式，如試樣1030-3#、1400-2#。除上述兩種破壞模式外，本文作者通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了一種破壞模式，即試樣1030-1#、1400-1#所表現(xiàn)的剪切與劈裂共存的破壞類型。因此，綜合上述分析，本次試驗(yàn)中試樣的破壞模式包括三種，劈裂模式、剪(主)+拉(次)模式、劈+剪共存模式。

圖3 巖石單軸壓縮破壞典型照片

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)結(jié)果分析

表2為通過巖石試驗(yàn)機(jī)所獲得巖石試樣的各種力學(xué)參數(shù)，圖4為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 巖石試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 巖石試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出，砂巖單軸壓縮試驗(yàn)條件下，其變形特征可以分為兩大階段，應(yīng)力增長階段和應(yīng)力跌落階段。而應(yīng)力增長階段又可進(jìn)一步分為初始裂紋壓密階段和線性變形階段。在圖4(f)中，2#試樣的變形特征除呈現(xiàn)初始裂紋壓密階段、線性變形階段外，還有一定的非線性變形特性?？傮w而言，對于本次試驗(yàn)，砂巖單軸壓縮條件下的變形大體可以分為以下幾個(gè)階段：初始裂紋壓密階段→線性變形階段→應(yīng)力跌落階段。同時(shí)，從圖中還可以看出，在應(yīng)力跌落階段，大部分試樣不具有殘余強(qiáng)度，只有極少數(shù)試樣在發(fā)生破裂后還具有一定的殘余強(qiáng)度，說明這些試樣發(fā)生的破壞模式應(yīng)該是多裂紋貫通破壞模式。

2.3 破壞模式因素分析

近年來，大量的研究表明，僅僅從應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)^程曲線已經(jīng)無法解釋發(fā)生多種破壞模式的原因了。因此，必須從其他角度對此問題進(jìn)行分析研究，能量演化分析就是目前應(yīng)用較多的理論和方法[1,11]。因此，本文應(yīng)用文獻(xiàn)[13] 和文獻(xiàn)[1] 所提出的方法對本次試驗(yàn)試樣的破壞模式進(jìn)行分析研究。

文獻(xiàn)[1]中提出，假定巖樣與外界沒有能量交換，即沒有能量損失。那么外力功U即為巖樣受力所吸收的能量U0，那么試樣所吸收的能量就包括兩部分，一部分是單位巖樣所存儲的可釋放的彈性應(yīng)變能Ue，另一部分則是單位巖樣在加載變形過程中耗散掉的耗散能Ud。其關(guān)系為：

U0=Ue+Ud

(1)

其中:

(2)

式中,σ1i、ε1i分別為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上每一點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值，且初始應(yīng)力和初始應(yīng)變均為0。

由式(2)可知，U0實(shí)際為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方所包含的面積；對于可釋放彈性應(yīng)變能Ue，假設(shè)巖樣在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上卸載曲線和再加載曲線基本一致，卸載彈性模量Ei可采用峰值前彈性段的彈性模量E代替，計(jì)算曲線上任意一點(diǎn)的可釋放彈性應(yīng)變能時(shí)，均可根據(jù)該點(diǎn)的應(yīng)力值和峰值前彈性模量確定，即:

(3)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)可計(jì)算出單軸壓縮試驗(yàn)中砂巖巖樣破壞前(峰值點(diǎn)處)、后(殘余段起始點(diǎn))的各能量指標(biāo)。以中粗砂巖試樣為例進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表3。

表3 單軸壓縮條件下中粗砂巖試樣破壞前后能量指標(biāo)

文獻(xiàn)[1]認(rèn)為試樣破壞模式與試樣破裂前后的能量指標(biāo)大小有直接關(guān)系，但通過對表3與圖3的分析，筆者認(rèn)為：試樣破裂模式與試樣破裂前后的能量指標(biāo)關(guān)系不大，而與試樣破裂前后的耗散能比值有直接的關(guān)系。比值越小，試樣破裂的塊體越小，比值越大，試樣破裂的塊體越大。以此結(jié)論對文獻(xiàn)[1]中單軸壓縮試驗(yàn)試樣破裂模式進(jìn)行分析：文獻(xiàn)[1]表2中U05的耗散能比值最小，試樣發(fā)生完全破裂，其破裂模式表現(xiàn)為剪切破壞為主，附帶局部張拉破裂的破壞模式。隨著比值的增大，試樣的破裂模式表現(xiàn)為多裂紋劈裂貫通，單裂紋劈裂貫通。這樣就比較合理的解釋了文獻(xiàn)[1]中圖3巖石試樣的破裂模式。

以本文所提出的結(jié)論對本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從表3中耗散能比值的計(jì)算結(jié)果，加之對比圖2巖石試樣試驗(yàn)結(jié)果，再次驗(yàn)證了本文所提出的通過試樣破壞前后耗散能比值確定試樣破壞模式的結(jié)論。即通過表3中的計(jì)算結(jié)果，可以確定試樣1400-3#主要是單貫通劈裂破壞，試樣1030-2#是多裂紋貫通劈裂破壞；試樣1030-3#、1400-2#則是以剪切破壞為主，局部張拉破壞的破壞模式。試樣1030-1#、1400-1#所表現(xiàn)的剪切與劈裂共存的破壞類型。

3 結(jié) 論

本文以晉華宮煤礦某巷道頂板砂巖為研究對象，通過對試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析和研究了砂巖在單向壓縮條件下的變形特性和破壞模式。通過分析研究，本文得到以下結(jié)論：

1)砂巖受壓時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆斷性，當(dāng)荷載達(dá)到最大時(shí)，應(yīng)力突然出現(xiàn)一個(gè)跌落現(xiàn)象。另外，不同巖性巖樣出現(xiàn)脆斷的時(shí)間也不盡相同。

2)根據(jù)能量耗散理論，本文重新提出了單向壓縮條件下試樣破壞模式與耗散能之間關(guān)系的新結(jié)論：認(rèn)為試樣破裂模式與試樣破裂前后的能量指標(biāo)關(guān)系不大，而與試樣破裂前后的耗散能比值有直接的關(guān)系。比值越小，試樣破裂的塊體越小，比值越大，試樣破裂的塊體越大。并根據(jù)此結(jié)論重新對文獻(xiàn)[1]與本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了本文所提出的結(jié)論的正確性。

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