單軸壓縮下填充含缺陷砂巖力學(xué)性能試驗(yàn)研究★

趙 巖 王海龍 詹 亮

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

?

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

單軸壓縮下填充含缺陷砂巖力學(xué)性能試驗(yàn)研究★

趙 巖 王海龍 詹 亮

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

通過單軸壓縮試驗(yàn)，對含孔洞砂巖巖樣及充填含孔洞砂巖巖樣進(jìn)行了研究，并從裂紋擴(kuò)展角度，闡釋了填充含缺陷砂巖力學(xué)性能的變化規(guī)律，得出了一些有意義的結(jié)論，為同類問題的研究提供了依據(jù)。

單軸壓縮試驗(yàn)，充填砂巖，力學(xué)性能，裂紋

巖石是由各種礦物的顆粒、結(jié)晶、碎屑以及聯(lián)結(jié)(膠結(jié))等固體物質(zhì)及其孔隙組成的[1]，因此天然巖石中都會存在不少內(nèi)部缺陷。在隧道及地下工程中，水泥注漿常常被用來加固巖石[2,3]，所以進(jìn)行含缺陷及充填含缺陷砂巖巖樣相關(guān)力學(xué)性質(zhì)的研究具有重要的工程意義。楊圣奇等[4]基于巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)和巖石聲發(fā)射儀的試驗(yàn)結(jié)果分析了單軸壓縮下含孔洞裂隙砂巖的力學(xué)特征的變化規(guī)律；朱譚譚等[5]通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)研究了含孔洞—裂隙組合型缺陷砂巖承載力的劣化規(guī)律；楊圣奇等[6]基于顆粒流研究了裂隙傾角對雙孔洞裂隙試樣力學(xué)特性及裂紋演化機(jī)制的影響規(guī)律；基于PFC2D，黃彥華等[7]分析了巖橋傾角及圍壓對斷續(xù)雙裂隙砂巖力學(xué)性能的影響規(guī)律；尹乾[8]通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了充填正交裂隙花崗巖的強(qiáng)度劣化規(guī)律及裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)制；楊仁樹等[9]通過相似試驗(yàn)分析了充填材料力學(xué)性質(zhì)對巖石動態(tài)力學(xué)行為的影響規(guī)律；劉欣宇等[10]利用類巖石材料進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)而研究了高徑比及充填節(jié)理特征對巖石力學(xué)特征的影響規(guī)律。胡盛斌等[11]對充填物與巖石本體進(jìn)行了應(yīng)力集中及熱應(yīng)力集中影響規(guī)律的研究。

實(shí)際工程中，在對節(jié)理破碎圍巖進(jìn)行加固過程中經(jīng)常會遇到在巖石缺陷(孔洞)中注漿的施工工藝，鑒于此，本文將基于含孔洞砂巖及充填砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，從力學(xué)性能參數(shù)的變化規(guī)律及裂紋擴(kuò)展機(jī)制方面對充填孔洞巖樣的力學(xué)行為變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)選用的黃砂巖巖樣為細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，粒徑相對比較均勻，呈致密構(gòu)造，宏觀均勻一致，平均密度約為2 185 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)巖樣制備

將試驗(yàn)黃砂巖制備成完整的長方體巖樣，試樣尺寸寬度、高度、厚度分別為60 mm,120 mm,30 mm。在完整巖樣的基礎(chǔ)上制備如圖1所示的含孔洞砂巖及充填含缺陷砂巖試樣。

試驗(yàn)巖樣主要考慮如下3種情況：1)含單孔砂巖巖樣制備：孔洞的直徑d分別設(shè)計(jì)了0 mm,6 mm,8 mm,10 mm,12 mm五種，其中直徑為0 mm的巖樣實(shí)質(zhì)上為完整的長方體巖樣。2)填充32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥孔洞砂巖巖樣：在預(yù)制的孔洞中填充現(xiàn)場制備好的32.5級水泥砂漿后經(jīng)過養(yǎng)護(hù)制作成含孔洞充填巖樣，然后用紫色顏料在孔洞處涂抹用來突出充填位置。3)填充42.5級普通硅酸鹽水泥孔洞砂巖巖樣：同充填32.5級水泥砂漿充填試樣制備。

1.3 試驗(yàn)加載程序

試驗(yàn)采用WHY-2000微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)前為了減小端部效應(yīng)對試驗(yàn)的影響，在巖樣端面均勻地涂一層凡士林潤滑劑，試驗(yàn)采用位移加載方式，保持上加載板速度為0 mm/min，下加載板以0.06 mm/min速度向上加載。試驗(yàn)過程中采用高清攝像系統(tǒng)對巖樣的破壞情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 含孔洞黃砂巖試樣強(qiáng)度和變形分析

單軸壓縮下含不同直徑孔洞黃砂巖試樣軸向應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線如圖2所示，其中d=0 mm的巖樣為完整巖樣。

由圖2可知，與完整砂巖試樣軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線相比含孔洞砂巖的峰值強(qiáng)度顯著低于完整砂巖試樣，并且隨著孔洞直徑的增大,峰值強(qiáng)度較完整試樣降低的越大。由此發(fā)現(xiàn)，巖石內(nèi)部的缺陷會在很大程度上降低巖石的峰值強(qiáng)度，并且隨著缺陷尺寸的增大，峰值強(qiáng)度降低程度也越大。

由圖3a)可知，完整巖樣的峰值強(qiáng)度為56.73 MPa，而含孔洞黃砂巖巖樣峰值強(qiáng)度分布在36.77 MPa(d=12 mm)和51.98 MPa(d=6 mm)范圍之內(nèi)；完整巖樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.876×10-3，含孔洞黃砂巖巖樣峰值應(yīng)變分布在6.594×10-3(d=12 mm)和7.783×10-3(d=6 mm)范圍之內(nèi)。

由圖3b)可知，完整巖樣的彈性模量為9.69 GPa，而含孔洞黃砂巖巖樣彈性模量分布在7.00 GPa(d=12 mm)和9.36 GPa(d=6 mm)范圍之內(nèi)。

3 充填含孔洞砂巖試樣強(qiáng)度和變形分析

充填含缺陷砂巖試樣(以d=12 mm為例)單軸壓縮試驗(yàn)中軸向應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)變化特征如圖4所示。

由圖4可以看出：1)單軸壓縮下含不同工況充填材料的孔洞砂巖試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線存在差異，隨著充填材料力學(xué)性能的增強(qiáng)，充填試樣的峰值強(qiáng)度也隨之增大，并且增大幅度也逐步增大；2)充填巖樣的彈性模量隨充填材料力學(xué)性能的增強(qiáng)，逐漸增大，并且增加趨勢幅度逐漸增大。

3.1 充填砂巖巖樣起裂應(yīng)力水平

砂巖作為一種巖石材料，其本身就存在內(nèi)部缺陷，而巖石中的充填材料使砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，有研究認(rèn)為巖石本體和填充物之間的接觸面是充填含缺陷巖樣中力學(xué)性能最低的區(qū)域[13]。起裂應(yīng)力水平是表征充填含缺陷巖樣非均質(zhì)性的關(guān)鍵參數(shù)，表述如下：

其中，σc為試樣的峰值強(qiáng)度；σ1為試樣的起裂應(yīng)力；L為試樣的起裂應(yīng)力水平。YANGSQ[12]認(rèn)為巖石試驗(yàn)過程中萌生第一條宏觀裂紋時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力為該巖石試樣的起裂應(yīng)力。本文在分析充填孔洞砂巖試樣起裂應(yīng)力及起裂應(yīng)力水平時(shí)采用此定義。圖5為孔洞直徑為12mm的充填孔洞砂巖試樣的起裂應(yīng)力及起裂應(yīng)力水平。

由圖5可知：1)充填含缺陷巖樣的起裂應(yīng)力隨著巖樣中充填材料力學(xué)性能的增強(qiáng)逐漸增大。無填充巖樣的起裂應(yīng)力為26.79MPa；工況2，工況3填充時(shí)，充填試樣的起裂應(yīng)力分別為46.65MPa和49.05MPa，與無填充相比分別增加了19.88MPa和22.27MPa。2)和起裂應(yīng)力一樣，充填含缺陷砂巖巖樣起裂應(yīng)力水平也隨著充填材料力學(xué)性能的增大呈增大趨勢；隨著充填材料強(qiáng)度的增大，起裂應(yīng)力水平增長速度越快。

3.2 充填黃砂巖試樣裂紋擴(kuò)展演化機(jī)制分析

單軸壓縮試驗(yàn)過程中，填充42.5級普通硅酸鹽水泥的試樣裂紋擴(kuò)展過程見圖6。如圖6b)所示，在單軸壓縮試驗(yàn)過程中，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度點(diǎn)a(σ=47.43MPa,ε=6.60×10-3)時(shí)，充填物與砂巖本體的交界面出現(xiàn)“分離粘結(jié)”，同時(shí)孔洞左上側(cè)萌生出一條翼型裂紋1，裂紋1沿軸向加載的方向向巖樣上邊界延伸，伴隨著軸向應(yīng)力顯著跌落至37.41MPa；此后軸向應(yīng)力繼續(xù)上升，如圖6c)所示，當(dāng)加載至點(diǎn)b(σ=37.96MPa，ε=6.90×10-3)時(shí)，在巖樣充填處右下方萌生了一條次生拉伸裂紋2，并且裂紋2迅速向巖樣下邊界延伸，這導(dǎo)致軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線產(chǎn)生一次應(yīng)力跌落，軸向應(yīng)力降至36.50MPa；如圖6d)所示，繼續(xù)加載，軸向應(yīng)力繼續(xù)增大，當(dāng)加載至點(diǎn)c(σ=36.31MPa，ε=7.28×10-3)時(shí)，在充填孔洞處產(chǎn)生裂紋3；各條裂紋的擴(kuò)展及延伸導(dǎo)致充填巖樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。

從上述分析可知，填充含缺陷砂巖巖樣中每一條裂紋的萌生或者每一次裂紋較大的擴(kuò)展都對應(yīng)著軸向應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線上一次應(yīng)力跌落；與含孔洞巖樣相比，充填試樣第一條宏觀裂紋基本都在充填物與巖樣的交界面處萌生，隨著充填物力學(xué)性能的增強(qiáng)，試樣出現(xiàn)第一條宏觀裂紋時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力及應(yīng)變越大，這是因?yàn)樵诤毕輲r樣中加入的水泥砂漿充填物在一定程度上增強(qiáng)了巖樣的抵抗外界破壞的能力。

4 結(jié)語

1)含缺陷砂巖巖樣力學(xué)性能較完整巖樣均出現(xiàn)不同程度的劣化，而且隨著孔洞半徑的增大，含孔洞砂巖試樣的力學(xué)特征參數(shù)呈逐步減少的趨勢。2)充填含缺陷砂巖試樣的力學(xué)性能隨著充填材料力學(xué)性能的增強(qiáng)呈增長的趨勢；充填孔洞巖樣的起裂應(yīng)力及起裂應(yīng)力水平也隨著充填材料力學(xué)性能的增強(qiáng)而增大。3)與無充填試樣相比，充填含缺陷砂巖巖樣中加入的水泥砂漿充填物在一定程度上增強(qiáng)了充填巖樣的抵抗外界破壞的能力；與無充填試樣裂紋擴(kuò)展過程相比，充填巖樣的裂紋擴(kuò)展過程更加復(fù)雜，這與充填物的類型有關(guān)。

[1] 高 偉.巖石力學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.

[2] 裴向軍,黃潤秋,李正兵.錦屏一級水電站左岸卸荷拉裂松弛巖體灌漿加固研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(2):284-288.

[3] 文海家,姜命強(qiáng),陳 云.三峽永久船閘F1096斷層復(fù)合灌漿處理及效果檢驗(yàn)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(5):102-106.

[4] 楊圣奇,劉相如,李玉壽.單軸壓縮下含孔洞裂隙砂巖力學(xué)特征試驗(yàn)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(S2):3539-3546.

[5] 朱譚譚,靖洪文,蘇海健.孔洞—裂隙組合缺陷砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(7):1018-1025.

[6] 楊圣奇,黃彥華.雙孔洞裂隙砂巖裂紋擴(kuò)展特征試驗(yàn)與顆粒流模擬[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2014,22(3):584-597.

[7] 黃彥華,楊圣奇.非共面雙裂隙紅砂巖宏細(xì)觀力學(xué)行為顆粒流模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(8):644-653.

[8] 尹 乾,靖洪文,蘇海健.單軸壓縮下充填正交裂隙花崗巖強(qiáng)度及裂紋擴(kuò)展演化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,45(2):225-232.

[9] 楊仁樹,王茂源,楊 陽.充填材料對節(jié)理巖石動力學(xué)性能影響的模擬試驗(yàn)[J].振動與沖擊,2016,5(12):125-131.

[10] 劉欣宇,劉愛華,李夕兵.充填柱狀節(jié)理類巖石材料的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(4):772-777.

[11] 胡盛斌,鄧 建,彭建華.充填物對巖石疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(6):914-920.

[12]YANGSQ.Crackcoalescencebehaviorofbrittlesandstonesamplescontainingtwocoplanarfissuresintheprocessofdeformationfailure.[J].EngineeringFractureMechanics,2011,78(17):3059-3081.

[13]JANEIRORP,EINSTEINHH.Experimentalstudyofthecrackingbehaviorofspecimenscontaininginclusions:underuniaxialcompression[J].InternationalJournalofFracture,2010,164(1):83-102.

Experimentalstudyonmechanicalpropertiesofholesandstonefilledmaterialunderuniaxialcompression★

ZhaoYanWangHailongZhanLiang

(DepartmentofCivilEngineering,HebeiUniversityofArchitecture,Zhangjiakou075000,China)

Through the single axis compression test, this paper researched the containing holes sandstone rock specimen and filled hole sandstone rock specimen, and from the crack extend angle, explained the variation law of mechanical properties test of filled defects sandstone, drew some meaningful conclusions, provided basis for the research on similar problems.

single axis compression test, filling sandstone, mechanical property, crack

1009-6825(2017)08-0049-03

2017-01-04★:河北建筑工程學(xué)院校級基金項(xiàng)目(XA201612)

趙 巖(1991- ),男，在讀碩士

TU452

A