不同單一裂隙傾角對(duì)巖體破壞特征的影響

崔景昆 ，吳東濤 ，張 浩 ，洛 鋒 ,2，王 凱 ，郭利軍

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭礦井建設(shè)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038）

巖體是一種充滿了各種不連續(xù)面的地質(zhì)材料，節(jié)理就是這種不連續(xù)面的典型代表，節(jié)理巖體強(qiáng)度不僅受巖石和節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的影響，而且也受到節(jié)理幾何特征的影響（如數(shù)量、方向、間距等）[1]，裂隙的擴(kuò)展和貫通致使巖體失穩(wěn)發(fā)生破壞，將會(huì)給人類工程的安全建設(shè)與維護(hù)帶來(lái)巨大的威脅。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于節(jié)理巖體力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并且取得了很多具有非常重要意義的結(jié)論與成果。Griffith[2-3]在20世紀(jì)早期對(duì)存在裂隙巖體的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，并最早證實(shí)了含有裂紋的脆性材料的破壞模式與完整脆性材料相比有著巨大的差別，認(rèn)為巖體存在裂紋是造成這種差別的主要因素。Brace等[4]最先應(yīng)用單軸壓縮對(duì)存在裂紋的脆性巖石試件進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，早期預(yù)制裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展并且在其原來(lái)位置上發(fā)生偏移軌跡，裂紋偏離后的角度大約為70°左右。Peng和Johnson[5]、Sangha等[6]通過(guò)大量試驗(yàn)，得出了試樣破壞前裂隙的擴(kuò)展規(guī)律，即裂隙的長(zhǎng)度會(huì)隨著繼續(xù)擴(kuò)展而增加；次生裂紋的產(chǎn)生與發(fā)育由外載荷而決定。Myung Sagong[7]針對(duì)巖體中的隧道施工通過(guò)集中原位應(yīng)力和施工活動(dòng)（如爆破）在隧道周圍造成破壞，自制節(jié)理巖石對(duì)其進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，研究了節(jié)理角度對(duì)節(jié)理巖石開口周圍巖石斷裂和節(jié)理滑動(dòng)行為的影響。李術(shù)才、張波[8-10]針對(duì)含有充填材料的節(jié)理巖體以及自制交叉裂隙相似材料試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并對(duì)試件的斷裂損傷機(jī)理進(jìn)行了深入研究。周輝等[11]針對(duì)不同尺寸和位置的不規(guī)則變化裂隙試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)巖體施工提供了指導(dǎo)。王培濤[12]利用3D打印技術(shù)自制裂隙巖體，更加直觀的看到巖體內(nèi)部裂隙的存在情況，并通過(guò)對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)特性進(jìn)行了初步探索。眾多學(xué)者的研究表明，大多為參數(shù)影響節(jié)理巖體破壞。由于在物理模型中復(fù)制節(jié)理的困難，大部分研究都集中在小型試件上做數(shù)值分析，對(duì)于裂隙傾角不同對(duì)試件影響程度沒(méi)有詳細(xì)的物理測(cè)試結(jié)果可以找到。為此放棄小型試件，擬采用大尺寸方形試件，研究其不同裂隙傾角對(duì)巖體破壞特征的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出的有益結(jié)論對(duì)在今后的工程實(shí)踐發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 物理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型條件及試驗(yàn)裝備。單軸壓縮載荷應(yīng)用于由1種新型改型橡膠粉水泥砂漿相似材料制成的巖石樣模型，相似材料由水、砂、防水劑、水泥、減水劑、橡膠粉按照一定的配比混合而成。樣品的制造過(guò)程如下：①將材料放在攪拌機(jī)中混合5 min；②將混合的相似材料倒入自制鋼模中以便在試件內(nèi)部鑄造裂隙；③將配比好的混合材料的鋼模振動(dòng)2 min以使試樣內(nèi)的氣泡最小化；④將鋼帶插入混合物中以產(chǎn)生預(yù)制裂隙表面，并將其留在內(nèi)部24 h；⑤取下鋼帶部分固化的混合物在恒溫箱中放置8 d。采取大型試件，其試件的尺寸為 W×T×L＝150 mm×150 mm×300 mm。直接剪切試驗(yàn)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 完整試件單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

為了使存在裂隙巖體的破壞特征清晰、明確，首先要對(duì)無(wú)裂隙試件在單軸壓縮過(guò)程當(dāng)中的破壞情況進(jìn)行分析。完整試件應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。試件在壓縮過(guò)程中，曲線整體較為穩(wěn)定，峰前彈塑性性質(zhì)表現(xiàn)較為明顯。在壓密階段內(nèi)曲線微微向上彎曲，主要是由于試件內(nèi)部并不是完全的呈現(xiàn)出均質(zhì)性，而會(huì)存在著一些初始的微裂隙，這期間試件中初始的微裂隙受到壓力不斷閉合，試件的強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到26.53 MPa，達(dá)到峰值。峰后塑性變形能力增加，試件整體的強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度降低，由于試件內(nèi)部的裂隙發(fā)育已經(jīng)成型，呈現(xiàn)出宏觀破裂，導(dǎo)致試件整體發(fā)生破壞而變得不完整。

圖2 完整試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 含有裂隙傾角試件單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3。裂隙傾角為0°，如圖3（a）的試件在單軸壓縮過(guò)程中，通過(guò)與完整試件應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比，試驗(yàn)表明：2條應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性壓縮階段，含有0°傾角的水平裂隙試件的斜率要小于完整試件，這是因?yàn)樵嚰泻辛严吨螅沟迷嚰嬖诹巳趺?，進(jìn)而試件的整體承載能力下降。

裂隙傾角為30°試件，如圖3（b）的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其先達(dá)到1個(gè)小峰值，而后呈現(xiàn)峰值，這是因?yàn)樵嚰?nèi)部的原始損傷在不斷地壓縮之后閉合重新開始發(fā)育，使得試件整體的承載能力降低。曲線在峰后又出現(xiàn)2次跌落和小幅度的提高，這說(shuō)明試件在達(dá)到峰值之后，其內(nèi)部的裂隙又經(jīng)歷了多次的閉合與發(fā)育。

45°預(yù)制裂隙試件，如圖3（c），整個(gè)壓縮過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)烈震蕩現(xiàn)象，呈現(xiàn)出良好的彈塑性性質(zhì)。在應(yīng)力10.45 MPa時(shí)呈現(xiàn)峰值，峰后試件卸載卸壓比較迅速。

當(dāng)預(yù)制裂隙為60°試件，如圖3（d）的應(yīng)力應(yīng)變曲線，達(dá)到第1個(gè)峰值之后出現(xiàn)多次震蕩（多次峰值），說(shuō)明在該試樣內(nèi)部微裂隙發(fā)生閉合與新裂隙的產(chǎn)生次數(shù)也有所增加，使得試件整體的承載能力忽強(qiáng)忽弱。

預(yù)制裂隙為90°試件，如圖3（e）的曲線，在壓密階段出現(xiàn)了突變點(diǎn)，這是由于在試件壓實(shí)過(guò)程中，其內(nèi)部的初始損傷發(fā)生了變化，使試件整體的承受載荷能力受到影響，導(dǎo)致試件在初始加載過(guò)程中應(yīng)力出現(xiàn)微妙的下降。

圖3 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 預(yù)制裂隙試件單軸壓縮破壞特征

對(duì)裂隙試件進(jìn)行壓縮時(shí)主要生成翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋），最早出現(xiàn)的是沿著預(yù)制裂隙面產(chǎn)生的翼裂紋，主要為張拉破壞，隨之出現(xiàn)次生裂紋導(dǎo)致剪切破壞。本試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)制裂隙試件破壞主要為翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發(fā)育良好所引起的剪切破壞和試件兩側(cè)引發(fā)的豎向劈裂破壞（張拉破壞），試件破壞特征如圖4。

圖4 試件破壞特征

1）0°試件,壓縮過(guò)程中，裂隙面受壓導(dǎo)致沿預(yù)制裂隙面發(fā)生多處斷裂，如圖4（a），翼裂紋較為明顯、完整且翼裂紋與次生裂紋發(fā)育良好，形成擴(kuò)展角65°。試件破壞主要為翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發(fā)育良好所引起的剪切破壞和試件兩側(cè)引發(fā)的豎向劈裂破壞（張拉破壞）。

2）30°試件受壓縮后裂隙面不僅出現(xiàn)翼裂紋與次生裂紋，而且試件的側(cè)面均出現(xiàn)較為明顯的劈裂紋，發(fā)育程度非常充分，該試件的破壞是由剪切破壞與豎向劈裂破壞共同導(dǎo)致，如圖4（b）。

3）45°試件，兩端均產(chǎn)生微裂隙，在預(yù)制裂隙面中與0°、30°相比，其翼裂紋與次生裂紋更加明顯發(fā)育程度更加完整，如圖4（c）。該試件主要是由翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發(fā)育良好所引起的剪切破壞。由預(yù)制裂隙面破壞引發(fā)擴(kuò)展角的擴(kuò)大而引起的試件兩側(cè)微裂隙開始萌生與發(fā)育，發(fā)育程度不明顯。

4）對(duì)于60°試件，整體破壞嚴(yán)重，翼裂紋發(fā)育程度非常高，而次生裂紋發(fā)育程度比0°、30°試件更加明顯，在與預(yù)制裂隙面相垂直的側(cè)面中形成豎向裂紋。在試件整體破壞之前，整體發(fā)育程度相對(duì)前幾種裂隙傾角試件要高很多，如圖4（d）。

5）對(duì)裂隙傾角為90°試件進(jìn)行壓縮，預(yù)制裂隙面上翼裂紋出現(xiàn)的是微乎其微，而次生裂紋的產(chǎn)生并沒(méi)有前4個(gè)試件那么明顯，事件破壞不明顯，預(yù)制裂隙面對(duì)試件整體破壞影響微弱，如圖4（e）。

2.4 預(yù)制不同裂隙傾角對(duì)試件單軸抗壓強(qiáng)度的影響

預(yù)制不同傾角試件的單軸抗壓強(qiáng)度曲線如圖5，完整試件在進(jìn)行單軸壓縮時(shí)其抗壓強(qiáng)度為26.53 MPa。預(yù)制裂隙傾角 α 為 0°、30°、45°、60°、90°時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度分別為15.97、13.19、10.45、10.50、19.26 MPa，其中當(dāng)裂隙傾角α為0°時(shí)，單軸壓縮強(qiáng)度下降幅度很大，完整試件較有裂隙的試件對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度有很大的影響；裂隙傾角α為30°時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度再一次下滑；裂隙傾角為45°時(shí)，試件單軸抗壓強(qiáng)度最低；當(dāng)裂隙傾角α為60°時(shí)，與45°試樣相比，出現(xiàn)微妙的變化只高出0.05 MPa，而傾角為45°試件的單軸抗壓強(qiáng)度又比傾角為0°、30°試件低，因此可以猜想在裂隙傾角為30°與45°試件之間存在對(duì)完整試件單軸抗壓強(qiáng)度最小的角度；當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，與完整試件的單軸抗壓強(qiáng)度差距不是很大，對(duì)巖體的強(qiáng)度影響不是很大，這對(duì)在今后的工程實(shí)踐發(fā)展中具有重要的指導(dǎo)意義。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度與傾角的關(guān)系

3 結(jié)論

1）在單軸壓縮下，完整試件與含有裂隙試件相比，含有裂隙試件的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于完整試件。

2）預(yù)制裂隙傾角影響著裂隙的發(fā)育程度，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果將裂紋發(fā)育程度從大到小排列依次為：60°、45°、0°、30°、90°。

3）不同預(yù)制裂隙傾角試件的單軸抗壓強(qiáng)度曲線近似成倒U型，并且預(yù)制裂隙的傾角在30°與45°之間存在著對(duì)試件強(qiáng)度影響最大的角度。