雙節(jié)理裂隙砂巖裂紋擴(kuò)展特性試驗(yàn)分析

鄭雪梅，張 通，祝梓航，王述紅

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧省巖土工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

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雙節(jié)理裂隙砂巖裂紋擴(kuò)展特性試驗(yàn)分析

鄭雪梅1,2，張 通1,2，祝梓航1,2，王述紅1,2

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧省巖土工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

依據(jù)尺寸為100mm×30mm×200mm的雙節(jié)理裂隙長方體紅砂巖試樣單軸壓縮下的試驗(yàn)結(jié)果，分析了雙裂隙紅砂巖裂紋擴(kuò)展的特性，得到了雙節(jié)理裂隙紅砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其與裂紋產(chǎn)生的相應(yīng)關(guān)系，分析了不同的節(jié)理裂隙傾角及其作用下相應(yīng)的雙節(jié)理裂隙紅砂巖試樣不同的破壞過程。試驗(yàn)證明，在存在雙裂隙的情況下，試樣力學(xué)參數(shù)較完整試樣顯著減小，并且減小程度與裂隙的傾斜角度密切相關(guān)。隨著裂隙傾角的增大，雙裂隙紅砂巖試樣峰值強(qiáng)度增大，彈性模量逐漸增加，而且為非線性變化的關(guān)系。完整試樣呈軸向劈裂脆性破壞，而雙裂隙試樣初始裂紋在裂隙的尖端附近首先產(chǎn)生，裂紋的延長最終導(dǎo)致紅砂巖試樣的失穩(wěn)破壞。最后探討了雙裂隙試樣裂紋產(chǎn)生的微觀機(jī)制：在應(yīng)力的不斷提高過程中，顆粒間粘結(jié)應(yīng)力消失，形成應(yīng)力集中區(qū)，在裂隙尖端附近產(chǎn)生微裂紋，微裂紋匯集形成宏觀裂紋。

裂隙傾角；裂隙擴(kuò)展；破壞形態(tài)；峰值強(qiáng)度

1 前 言

巖石是一種復(fù)雜的天然介質(zhì)，巖石缺陷是巖石中存在于礦物顆粒之間或顆粒內(nèi)部的微小二維界面和三維孔隙，如顆粒邊界、礦物解理、微裂隙、粒間孔隙、軟弱礦物等不同程度的缺陷，這些缺陷對巖體強(qiáng)度和變形破壞有著重要的影響。因此，研究雙節(jié)理裂隙紅砂巖的裂紋擴(kuò)展特性，對于確保巖石工程的穩(wěn)定與安全具有極其重要的意義[1-5]。

由于人工取得的類巖石材料很難接近真實(shí)巖石材料的各種力學(xué)性質(zhì)，如非均質(zhì)性，邊界效應(yīng)以及膠結(jié)程度等，因此，研究者們都趨于通過在真實(shí)巖石材料中預(yù)制節(jié)理、孔洞、裂隙等不同缺陷來進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。楊圣奇、戴永浩、韓立軍等[6-8]對大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)前對該大理巖進(jìn)行斷續(xù)預(yù)制裂縫，由試驗(yàn)結(jié)果分析了大理巖的變形破壞與裂隙參數(shù)的關(guān)系；李銀平、王元漢、陳龍珠等[9]對大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)前對該大理巖進(jìn)行斷續(xù)預(yù)制裂縫，由試驗(yàn)結(jié)果分析了裂紋擴(kuò)展過程和裂紋搭接的過程；楊圣奇、呂朝輝、渠濤等[6-8]對大理巖試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)前對該大理巖預(yù)制了單個(gè)孔洞，由結(jié)果分析了大理巖的裂紋擴(kuò)展特征及其對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律；S.Q.Yang和H.W.Jing[10]對脆性砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并在試驗(yàn)之前預(yù)制了單裂隙，由結(jié)果分析了試樣的強(qiáng)度和變形破壞特征，分析了裂隙的長度和傾角對試樣本身強(qiáng)度和不同參數(shù)以及裂紋破壞的影響；謝其泰、郭俊志、王建力等[11]對砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)之前在砂巖上預(yù)制了具有不同傾斜角度的單裂紋，由結(jié)果分析得到了裂紋擴(kuò)展參數(shù)與砂巖力學(xué)行為的關(guān)系。目前，對含雙節(jié)理裂隙紅砂巖的分析較少。

由以上分析并且根據(jù)目前國內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)情況，對自然取得的紅砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)之前，預(yù)制了尺寸為100mm×30mm×200mm的試樣，并預(yù)制了含有不同傾斜角度的雙節(jié)理裂隙。基于試驗(yàn)結(jié)果，分析雙裂隙紅砂巖裂紋擴(kuò)展規(guī)律，揭示了雙裂隙試樣裂紋擴(kuò)展機(jī)制。

2 巖性特征和試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

為了研究雙節(jié)理裂隙巖石試樣的力學(xué)特性，如屈服強(qiáng)度和變形破壞等，并且由于紅砂巖為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，具有相對粒度均勻統(tǒng)一等特性，本試驗(yàn)選取紅砂巖進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 裂隙巖樣制備

采集的紅砂巖巖塊在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用高壓水槍切割加工，制備成完整的長方體試樣，其尺寸為：高×寬×厚=30 mm×100 mm×200 mm。

在完整的長方體巖樣基礎(chǔ)上，再預(yù)制缺陷巖樣，缺陷巖樣為含有不同裂隙傾角的雙節(jié)理裂隙砂巖巖樣。試件總數(shù)為12個(gè)，其中，結(jié)構(gòu)面傾角α值分別為15°、45°、60°、75°，每組設(shè)置3個(gè)試件。

2.3 試驗(yàn)加載程序

本文試驗(yàn)均是在TYJ-500kN微機(jī)控制電液伺服巖石剪切流變試驗(yàn)系統(tǒng)控制下進(jìn)行的。該試驗(yàn)系統(tǒng)是由軸向加載系統(tǒng)、水平直剪加載系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試樣單軸加載及巖石直剪等試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，加載系統(tǒng)均采用伺服控制。軸向試驗(yàn)力測量范圍為2-500.0kN。試驗(yàn)程序如下：(1)將預(yù)制好的紅砂巖試樣按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法放在巖石試驗(yàn)機(jī)上；(2)在巖樣兩端涂凡士林的位置貼上應(yīng)變片，每端貼4片；(3)該試驗(yàn)設(shè)置了3組對照試驗(yàn)，其加載的方式不同，按不同速率加載，分別為0.001mm/s、0.002mm/s、0.003mm/s。

3 含雙裂隙紅砂巖力學(xué)特性分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1-圖3為單軸壓縮下含不同傾角裂隙的紅砂巖試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線，其中d=0mm的巖樣為無節(jié)理裂隙的紅砂巖試樣。由圖1-圖3可知，過峰值強(qiáng)度以后，無節(jié)理裂隙巖樣發(fā)生脆性破壞，其承載能力驟減至零，這說明了該試驗(yàn)紅砂巖試樣的脆性破壞特性，如圖4所示。

圖1 加載速率為0.001mm/s時(shí)單軸壓縮下含不同傾角裂隙砂巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗(yàn)曲線

圖2 加載速率為0.002mm/s時(shí)單軸壓縮下含不同傾角裂隙砂巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗(yàn)曲線

圖3 加載速率為0.003mm/s時(shí)單軸壓縮下含不同傾角裂隙砂巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗(yàn)曲線

圖4 巖樣的脆性破壞

從圖1-圖3可以看出，峰值之后發(fā)生脆性跌落，而隨著加載速率的增加，紅砂巖試樣峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)明顯的屈服平臺，這可能是由于試驗(yàn)加載速率增大，巖樣沿裂隙周邊逐步發(fā)生屈服破壞導(dǎo)致。由于所采用的紅砂巖試樣粒徑相對均勻，具有較好的一致性，所以非均質(zhì)性對含雙節(jié)理裂隙紅砂巖強(qiáng)度和變形參數(shù)的影響是比較小的。

圖5給出了裂隙傾角對試驗(yàn)紅砂巖試樣貫通強(qiáng)度的影響規(guī)律，由圖5可知，結(jié)構(gòu)面傾角為15°時(shí)，巖樣的平均貫通強(qiáng)度約為25MPa，結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，巖樣的平均貫通強(qiáng)度約為30MPa，結(jié)構(gòu)面傾角為60°時(shí)，巖樣的平均貫通強(qiáng)度約為 32MPa，結(jié)構(gòu)面傾角為75°時(shí)，巖樣的平均貫通強(qiáng)度約為 48MPa。因此，隨著紅砂巖巖樣結(jié)構(gòu)面傾角的增大，巖樣的力學(xué)參數(shù)增大，且由圖中看出，呈非線性增大。

圖5 結(jié)構(gòu)面傾角與貫通強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 裂紋擴(kuò)展特征

圖6給出了含雙裂隙紅砂巖試樣在單軸壓縮下典型的宏觀破裂模式。由圖6可見，含雙裂隙紅砂巖巖樣破裂模式與完整巖樣脆性破裂特征具有顯著的差異，含雙裂隙紅砂巖試樣在單向加載過程中，在裂隙附近以及裂隙尖端附近，均觀察到了裂紋擴(kuò)展。在外部荷載作用下，不論裂隙傾角為多少，紅砂巖巖樣均最先在裂隙外部尖端附近產(chǎn)生2條翼形拉伸裂紋，該最先產(chǎn)生裂紋的區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域。裂紋產(chǎn)生之后，沿著荷載施加方向分別朝巖樣上下端迅速延伸。紅砂巖試樣所受到的軸向荷載隨著軸向變形的增加而增加，紅砂巖試樣在預(yù)制裂隙的尖端位置產(chǎn)生了次生裂紋，并且向著巖樣端部的方向延伸。此后，隨著軸向變形的增加，導(dǎo)致含雙裂隙巖樣內(nèi)部裂紋的進(jìn)一步產(chǎn)生。巖樣最終的失穩(wěn)破壞導(dǎo)致了遠(yuǎn)場裂紋和側(cè)向裂紋的產(chǎn)生。

圖6 單軸壓縮下含雙裂隙紅砂巖典型的宏觀破裂模式

由于試驗(yàn)紅砂巖試樣顯著的脆性破壞特性，在加載過程中，含雙節(jié)理裂隙紅砂巖巖樣中均觀察到了一些表面剝落破壞的現(xiàn)象，如圖6所示，經(jīng)分析，這可能是局部壓應(yīng)力集中引起的破壞。

3.3 裂紋擴(kuò)展特征與宏觀變形關(guān)系

圖7為在單軸壓縮試驗(yàn)后得到的試樣應(yīng)力與應(yīng)變的曲線關(guān)系。在應(yīng)力達(dá)到點(diǎn)a時(shí)，由于大部分應(yīng)力都集中在裂隙的尖端位置，導(dǎo)致巖樣在裂隙的尖端位置產(chǎn)生了2條裂紋。由圖可見，這兩條裂紋的迅速產(chǎn)生也導(dǎo)致變形曲線上出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)力下降。

圖7 單軸壓縮下含雙裂隙紅砂巖裂紋擴(kuò)展過程

此后，紅砂巖的軸向應(yīng)力隨著軸向變形的不斷增加而近似呈線性增加，裂縫的寬度從點(diǎn)a位置到點(diǎn)c位置期間發(fā)生了明顯的增大。當(dāng)試樣的應(yīng)力達(dá)到點(diǎn)c時(shí)，裂隙的尖端位置萌生了2條次生裂紋，這兩條裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致了圖中曲線一個(gè)顯著的應(yīng)力下降。該應(yīng)力下降之后，變形的持續(xù)增加又使得應(yīng)力開始緩慢增加，但由于巖石有局部損壞，因此應(yīng)力很難進(jìn)一步增加至超過峰值強(qiáng)度的值(圖中c點(diǎn))。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到點(diǎn)d時(shí)，雖然巖石仍然在繼續(xù)發(fā)生變形，但應(yīng)力也在不斷地下降。當(dāng)下降至點(diǎn)e時(shí)，巖樣破壞，應(yīng)力驟減。

經(jīng)過前述分析，初步認(rèn)為紅砂巖的裂紋擴(kuò)展與變形曲線上的應(yīng)力下降是一一對應(yīng)的，而且?guī)r樣內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展過程也通過試樣變形曲線的差異呈現(xiàn)。

4 結(jié) 論

(1)含雙裂隙的紅砂巖巖樣的力學(xué)參數(shù)與無節(jié)理裂隙巖樣相比均顯著降低，但其降低的幅度受到裂隙傾斜角度的影響，含雙節(jié)理裂隙紅砂巖的峰值強(qiáng)度與裂隙傾斜角度成非線性變化關(guān)系，其隨著角度的增大而增大。

(2)兩條拉伸裂紋最先在紅砂巖巖樣裂隙的外部尖端位置出現(xiàn)，因?yàn)榇蟛糠謶?yīng)力都集中在該區(qū)域。裂紋出現(xiàn)以后，沿著軸向應(yīng)力方向向著巖樣的兩邊不斷延伸。

(3)該試驗(yàn)探討了含有預(yù)制雙節(jié)理裂隙的紅砂巖的裂紋擴(kuò)展特性，分析了含雙節(jié)理裂隙紅砂巖裂紋擴(kuò)展與軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系。由該試驗(yàn)結(jié)果可知，巖樣中的裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力下降是一一對應(yīng)的關(guān)系。

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Analysis on Fracture Propagation Characteristics of Sandstone Containing Two Pre-Existing Fissures

Zheng Xuemei1,2, Zhang Tong1,2, Zhu Zihang1,2, Wang Shuhong1,2

(1.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China;2.Geotechnical Engineering Laboratory of Liaoning Province, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Based on the uniaxial compression test results of a double fracture rectangular red sandstone sample which size is 100mm×30mm×200mm, the fracture propagation of red sandstone containing two pre-existing fissures is analyzed in the paper, and the macroscopic stress-strain relationship curve of a double fracture red sandstone and the crack propagation process are found. The influences of fissure angle on the mechanical parameters of a double fracture specimens and fracture propagation characteristics are studied in the paper. Compared with the full sample of red sandstone, the mechanical parameters of double fracture specimens decrease significantly, but the reduction degree is closely related to fissure angle. With fissure angle increases, the peak intensity of a double fracture sample increases, the elastic modulus shows a gradual increasing trend, and it is nonlinear. Double fracture specimen appears initial crack first near the tip of the crack, then, the expansion and transfixion of cracks lead to the final instability destruction of the sample, while the complete specimen is axially split brittle failure. Finally, the microscopic mechanism of fracture propagation of double fracture specimens is discussed. First, a stress concentration area forms near the tip of the crack, and the increasing of stress causes particle bond rupture and generate micro-cracks. In the transfer process of stress concentration zone, new micro-cracks are producing constantly, the collection of micro-cracks forms macroscopic crack.

fissure angle; fracture propagation; failure mode; peak strength

2016-07-06

鄭雪梅(1992-)，女，山東人，本科生，所學(xué)專業(yè)為土木工程。

王述紅(1969-)，男，江蘇泰州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖體力學(xué)與工程方面的教學(xué)和研究工作。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474050，51179031)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLGP2012K009，SKLGP2014K011)；東北大學(xué)第九批國家級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(150035)。

TU458+.3

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.011