單軸壓縮下單裂隙類(lèi)巖石強(qiáng)度變形特性分析

肖桃李

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，長(zhǎng)江大學(xué)巖土力學(xué)與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何祥鋒，汪宗華，張萬(wàn)強(qiáng)，田永鋒

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

巖石是一種復(fù)雜的天然地質(zhì)介質(zhì)。在地質(zhì)構(gòu)造作用下，巖石中孕育了各種尺度的缺陷。實(shí)際工程中，缺陷的存在對(duì)巖石的力學(xué)特性和破壞特性有顯著影響，使工程的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與施工面臨著諸多難題。近年來(lái)，許多專(zhuān)家在不同條件下對(duì)含裂隙巖體的力學(xué)特性和變形破壞規(guī)律作了大量的試驗(yàn)研究。王輝等[1]對(duì)含單裂隙巖石試樣的破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣破壞經(jīng)歷了裂隙的壓密、微裂紋的萌生、擴(kuò)展及斷裂破壞4個(gè)階段；楊圣奇等[2]對(duì)含2條共面預(yù)制裂隙脆性砂巖的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行試驗(yàn)研究，確立了試樣裂紋擴(kuò)展過(guò)程與宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的關(guān)系；蘇海鍵等[3]對(duì)含預(yù)制縱向裂隙的砂巖進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)研究，試樣峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨裂隙長(zhǎng)度的增大而先增大后減小，試樣主要發(fā)生劈裂破壞；肖桃李等[4]對(duì)含預(yù)制特定幾何參數(shù)的單裂隙類(lèi)巖石試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)研究，觀測(cè)到3種新裂紋(拉伸裂紋、滑移裂紋、撕開(kāi)裂紋)和3 種破裂模式(拉剪復(fù)合破壞、“X”型的剪切破壞、沿裂隙面的剪切破壞)，且試樣的裂隙擴(kuò)展規(guī)律與預(yù)制單裂隙關(guān)系密切；郭彥雙等[5]對(duì)張開(kāi)型表面裂隙輝長(zhǎng)巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立了裂紋傾角與起裂應(yīng)力之間的關(guān)系；李樹(shù)忱等[6]對(duì)含不同傾角的單裂隙類(lèi)巖石試件峰后變形進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的多峰現(xiàn)象，給出了不同裂隙傾角試樣的破壞模式；王衛(wèi)華等[7]研究節(jié)理傾角對(duì)試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律,節(jié)理間距不變時(shí)，試樣的強(qiáng)度隨節(jié)理傾角變化呈V字形 ，45°時(shí)強(qiáng)度最小；戴永浩等[8]對(duì)預(yù)制斷續(xù)裂隙脆性大理巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，大理巖變形呈現(xiàn)出局部漸進(jìn)破壞特征，其峰值強(qiáng)度、彈性模量及峰值軸向應(yīng)變均明顯降低，降低幅度與預(yù)制裂隙參數(shù)分布形式有關(guān)。筆者以含預(yù)制裂隙的高強(qiáng)硅粉砂漿試樣為模型，以單軸壓縮試驗(yàn)為手段，對(duì)含有特定幾何參數(shù)的單裂隙巖體的強(qiáng)度變形特征進(jìn)行全面的分析。

1 試驗(yàn)方案

采用高強(qiáng)硅粉砂漿材料制作類(lèi)巖石模型試樣，采用厚0.4mm的高強(qiáng)薄鋼片制作預(yù)制貫穿單裂隙。根據(jù)材料配比試驗(yàn)，確定試樣的材料配比為普通#42.5硅酸鹽水泥∶高強(qiáng)硅粉∶鐵粉∶石英砂∶高效減水劑∶水=1.00∶0.13∶0.25∶0.80∶0.01∶0.40(質(zhì)量比)，其中，石英砂的粒徑小于等于60μm，減水劑為XC-100A聚羧酸系高性能減水劑。試樣采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，尺寸為?50mm×100mm。預(yù)制裂隙長(zhǎng)度為6、12、18、24mm；預(yù)制裂隙傾角為0、15、30、45、60、75、90°，完整試樣和單裂隙試樣模型如圖1所示。試驗(yàn)中制作了3組試樣，采用格魯布斯檢驗(yàn)法得到符合試驗(yàn)要求的合格試樣，如圖2所示。其中編號(hào)B2445-2，表示裂隙長(zhǎng)度為24mm，裂隙傾角為45°，第2組試樣。單軸壓縮試驗(yàn)使用的儀器為WAW-1000B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。

圖1 完整試樣和單裂隙試樣模型示意圖

圖2 制作好的合格完整試樣及單裂隙試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 傾角對(duì)試樣強(qiáng)度及變形特性的影響

不同裂隙長(zhǎng)度下各裂隙傾角單裂隙類(lèi)巖石試樣的平均峰值強(qiáng)度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 WAW-1000B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 圖4 不同裂隙長(zhǎng)度下各裂隙傾角試樣的平均峰值強(qiáng)度

由圖4可知，當(dāng)裂隙長(zhǎng)度為6、12、18mm時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度隨著傾角的增大整體近似呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)裂隙長(zhǎng)度為24mm時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度隨著傾角的增大呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。且隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，試樣峰值強(qiáng)度最小值對(duì)應(yīng)的傾角逐漸減小。隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，傾角的變化對(duì)試樣峰值強(qiáng)度的影響程度逐漸增強(qiáng)。以0.5kN/s的定量恒速荷載壓縮試樣，加載前期試樣表面未觀察到裂紋的出現(xiàn)。當(dāng)軸向抗壓強(qiáng)度即將達(dá)到峰值前，試樣開(kāi)始萌生一系列的新裂紋，并在強(qiáng)度達(dá)到峰值的瞬間向遠(yuǎn)處迅速擴(kuò)展至試樣的端部，試樣被壓碎斷裂破壞，同時(shí)伴隨著清脆的崩裂聲。單軸壓縮下試樣整個(gè)破壞過(guò)程與加載過(guò)程獲取的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的走向變化特征較為相符。

單軸壓縮作用下裂隙長(zhǎng)度為12mm時(shí)，不同單裂隙傾角(0～90°)類(lèi)巖石試樣的裂隙萌生及擴(kuò)展過(guò)程如圖5所示。

圖5 裂隙長(zhǎng)度為12mm時(shí)各傾角試樣裂隙萌生及擴(kuò)展過(guò)程

由圖5可知，由于試樣的非勻質(zhì)性，完整試樣在單軸作用下會(huì)隨機(jī)萌生一系列貫穿性拉伸裂紋，發(fā)生壓縮破壞；當(dāng)裂隙長(zhǎng)度為12mm時(shí)，傾角為0～75°的試樣在恒速定量荷載作用下均會(huì)沿著軸向應(yīng)力方向產(chǎn)生1條從試樣上端向下擴(kuò)展穿過(guò)預(yù)制裂隙面并迅速向試樣下端擴(kuò)展的貫穿性主裂紋，該裂紋為拉伸裂紋，隨著荷載的不斷增加，試樣發(fā)生破壞，其破壞模式為拉伸破壞。其次，在試樣破壞的瞬間，預(yù)制裂隙尖端或者中部會(huì)萌生1～2條次生裂紋，呈近似直線(xiàn)沿著平行于軸向應(yīng)力方向擴(kuò)展至試塊端部。但由于試樣非勻質(zhì)性的影響，試樣內(nèi)部存在許多原生缺陷，會(huì)使次生裂紋的擴(kuò)展方向呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，從而改變擴(kuò)展方向。如B1200的裂紋3和B1215的裂紋3，初始萌生方向與軸向應(yīng)力方向平行，擴(kuò)展一段距離后逐漸與軸向應(yīng)力方向呈一定傾角；試樣傾角為90°時(shí)，達(dá)到峰值強(qiáng)度的瞬間，試樣只產(chǎn)生1條沿著軸向應(yīng)力方向從試樣上端擴(kuò)展穿過(guò)預(yù)制裂隙面迅速向下端擴(kuò)展的貫穿性主裂紋，該裂紋為劈裂裂紋，其破壞模式為劈裂破壞。隨著傾角的增大，次生裂隙的萌生及擴(kuò)展跡線(xiàn)越來(lái)越少；裂隙傾角較小時(shí)(0～30°)，預(yù)制裂隙周?chē)壬牧鸭y較多，說(shuō)明在裂隙處應(yīng)力分布復(fù)雜；裂隙傾角較大時(shí)(45～75°)，預(yù)制裂隙周?chē)壬牧鸭y較少，說(shuō)明在裂隙處應(yīng)力分布相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.2 裂隙長(zhǎng)度對(duì)試樣強(qiáng)度變形特性的影響

圖6 不同裂隙傾角下各裂隙長(zhǎng)度試樣的平均峰值強(qiáng)度

不同裂隙傾角下各裂隙長(zhǎng)度單裂隙類(lèi)巖石試樣的平均峰值強(qiáng)度變化曲線(xiàn)如圖6所示。

由圖6可知，與完整試樣相比，含裂隙的試樣峰值強(qiáng)度有不同程度的劣化。試樣的峰值強(qiáng)度隨著裂隙長(zhǎng)度的增大總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。隨著裂隙傾角的增大，折線(xiàn)變化趨勢(shì)逐漸平緩，試樣峰值強(qiáng)度減小的幅度逐漸變小，裂隙對(duì)試樣破壞強(qiáng)度的削弱作用隨裂隙傾角的增大而逐漸減弱；隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，不同裂隙傾角的試樣的峰值強(qiáng)度數(shù)據(jù)逐漸由集中變得分散，說(shuō)明當(dāng)裂隙長(zhǎng)度增大時(shí)，裂隙傾角的變化對(duì)試樣峰值強(qiáng)度的影響變大。

單軸壓縮作用下裂隙傾角為30°時(shí)，不同單裂隙長(zhǎng)度(6～24mm)類(lèi)巖石試樣的裂隙萌生及擴(kuò)展過(guò)程如圖7所示。

圖7 裂隙傾角為30°時(shí)各裂隙長(zhǎng)度試樣裂隙萌生及擴(kuò)展過(guò)程

由圖7可知，完整試樣在單軸作用下會(huì)隨機(jī)萌生一系列貫穿性拉伸裂紋，發(fā)生壓縮破壞；傾角一定，裂隙長(zhǎng)度為6mm和12mm時(shí)，在恒速定量荷載作用下，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度破壞的瞬間會(huì)產(chǎn)生1條沿著軸向應(yīng)力從上端擴(kuò)展穿過(guò)預(yù)制裂隙面并迅速向下端擴(kuò)展的主裂紋，該裂紋為拉伸裂紋，其破壞模式為拉伸破壞；其次，預(yù)制裂隙端部會(huì)萌生1～2條從裂隙尖端沿著軸向應(yīng)力方向向試塊上端或下端擴(kuò)展的次生裂紋。裂隙長(zhǎng)度為18mm和24mm時(shí)，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度破壞的瞬間會(huì)產(chǎn)生1條沿著軸向應(yīng)力從裂隙尖端向試樣兩端擴(kuò)展的主裂紋；其次，從預(yù)制裂隙尖端也會(huì)萌生一系列近似平行于軸向應(yīng)力方向的次生裂紋。隨著傾角的增大，主裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生了改變。

綜合裂隙長(zhǎng)度和裂隙傾角對(duì)試樣的變形影響可知，預(yù)制裂隙傾角是新裂紋萌生及擴(kuò)展的關(guān)鍵因素，預(yù)制裂隙長(zhǎng)度影響新裂紋的萌生及擴(kuò)展規(guī)模。

3 結(jié)論

1)與完整試樣相比，預(yù)制單裂隙的存在使試樣的強(qiáng)度均呈現(xiàn)出一定程度的劣化。

2)單裂隙長(zhǎng)度不變，試樣的峰值強(qiáng)度隨裂隙傾角的增大而先減小后增大(傾角為90°時(shí)逐漸增大)，試樣峰值強(qiáng)度最小值對(duì)應(yīng)的裂隙傾角逐漸減?。粏瘟严秲A角不變，試樣的峰值強(qiáng)度隨裂隙長(zhǎng)度的增大而逐漸減小。

3)與完整試樣相比，含單裂隙的試樣在破壞瞬間均會(huì)產(chǎn)生1條穿過(guò)預(yù)制裂隙面的貫穿性拉伸主裂紋；試樣裂隙尖端或中部均會(huì)萌生一系列次生裂紋；單軸作用下，試樣的破壞模式均為拉伸破壞。

[1]王輝,高召寧,孟祥瑞,等.單裂隙巖石在單軸壓縮下破壞的數(shù)值模擬[J].煤礦安全,2015,46(1):29～32.

[2] 楊圣奇,戴永浩,韓立軍,等.斷續(xù)預(yù)制裂隙脆性大理巖變形破壞特性單軸壓縮試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(12):2391～2404.

[3] 蘇海健,靖洪文,趙洪輝,等.縱向裂隙對(duì)砂巖力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014,31(4):644～649.

[4] 肖桃李,李新平,郭運(yùn)華.三軸壓縮條件下單裂隙巖石的破壞特性研究[J].巖土力學(xué),2012,33(11):3251～3256.

[5] 郭彥雙,黃凱珠,朱維申,等. 輝長(zhǎng)巖中張開(kāi)型表面裂隙破裂模式研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(3):525～531.

[6] 李樹(shù)忱,汪雷,李術(shù)才,等.不同傾角貫穿節(jié)理類(lèi)巖石試件峰后變形破壞試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(S2):3391～3395.

[7] 陳新,李東威,王莉賢,等.單軸壓縮下節(jié)理間距和傾角對(duì)巖體模擬試件強(qiáng)度和變形的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(12):2236～2245.

[8] 戴永浩,楊圣奇,韓立軍,等.斷續(xù)預(yù)制裂隙脆性大理巖變形破壞特性單軸壓縮試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(12):2391～2404.