裂隙數(shù)量對(duì)低強(qiáng)度巖體力學(xué)特性及破壞模式影響的試驗(yàn)研究

付紅亮

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平 048411）

0 引 言

在工程巖體中普遍含有各種尺度的節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙對(duì)巖石的力學(xué)特性具有顯著的影響，巖石的失穩(wěn)破壞也與這些節(jié)理裂隙具有密切的關(guān)系[1-3]。因此，研究節(jié)理裂隙對(duì)巖石的強(qiáng)度變形特性和破壞特征的影響具有重要意義。

鑒于此，Bombolakis[4]于1968年首次進(jìn)行了單軸壓縮條件下含單一裂隙試件破壞模式的試驗(yàn)研究。自此之后，為了更加深入地了解節(jié)理裂隙對(duì)巖石強(qiáng)度、變形及破壞模式的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)的試驗(yàn)研究。例如，楊圣奇等[5,6]對(duì)紅砂巖裂隙試樣在單軸壓縮條件下的裂紋擴(kuò)展過程以及裂隙傾角對(duì)強(qiáng)度及變形參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。肖桃李等[7]采用高強(qiáng)硅粉砂漿配制了大理巖類巖石材料試件，進(jìn)行了不同圍壓下單裂隙試件常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，并用斷裂力學(xué)原理分析了單裂隙試件沿結(jié)構(gòu)面剪切破壞的影響因素。接著，肖桃李等[8]還開展了雙裂隙巖樣在三軸壓縮試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在三軸壓縮下反向翼裂紋為主要的裂紋類型。趙延林等[9]開展了單軸壓縮下類巖石材料有序多裂紋體破斷試驗(yàn)，研究了不同裂隙傾角和裂隙密度對(duì)峰值強(qiáng)度和貫通模式的影響。以上這些試驗(yàn)主要以含單、雙或多裂隙的真實(shí)巖質(zhì)試件或類巖石材料試件為對(duì)象，研究其在單軸、雙軸或三軸壓縮應(yīng)力條件下的力學(xué)特性和破壞模式。

通過對(duì)現(xiàn)階段的裂隙巖體試驗(yàn)研究進(jìn)行歸納可知，基本上都是以砂巖、灰?guī)r和大理石等高強(qiáng)度的真實(shí)巖體或相應(yīng)的類巖石材料為試驗(yàn)對(duì)象，而針對(duì)低強(qiáng)度裂隙巖體（如泥巖、砂質(zhì)泥巖等）的力學(xué)特性及破壞模式的相關(guān)試驗(yàn)研究則比較少見。針對(duì)這一不足，本文以含不同裂隙數(shù)量的砂質(zhì)泥巖類巖石材料試件為研究對(duì)象，采用MTS815電液伺服控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果分析低強(qiáng)度類巖石材料試件在不同裂隙數(shù)量條件下的強(qiáng)度及變形破壞特征，以期為含低強(qiáng)度裂隙巖體的地下工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試件制作及方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選擇的低強(qiáng)度巖體為砂質(zhì)泥巖（平均單抽抗壓強(qiáng)度為28.23MPa），取自山西省高平市望云煤礦一工作面頂板。

圖1 不同裂隙數(shù)量試件幾何參數(shù)圖

預(yù)制裂隙采用水利切割的方法來制作，所制作的裂隙為貫穿-開放型裂隙。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的要求，試件的高徑比為2：1，其直徑為50mm，高度為100mm，各種類型裂隙試件的幾何參數(shù)詳見圖1。其中，預(yù)制裂隙均布置于試件中部，其長(zhǎng)度為2a，開度為2b，巖橋長(zhǎng)度為2L，數(shù)量為n，傾角（即與水平方向的夾角）為α。進(jìn)行不同裂隙數(shù)量試件的單軸壓縮試驗(yàn)。預(yù)制裂隙長(zhǎng)度2a、開度2b和巖橋長(zhǎng)度2L保持不變，分別為15mm、2mm和10mm，傾角α為0°、30°、60°和90°，裂隙數(shù)量n分別為1條、2條和3條，其中，預(yù)制裂隙沿軸向平行重疊布置，如圖1所示；試驗(yàn)方案的詳細(xì)介紹可見表1。

表1 試驗(yàn)方案介紹

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載程序

常規(guī)單軸壓縮破壞試驗(yàn)均在MTS815電液伺服控制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)統(tǒng)一采用位移控制準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，加載速率為0.002mm/s。為了減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，所有類型試件均各準(zhǔn)備3個(gè)，在完全相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。此外，為了減小端部效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前在試件上下端面涂抹適量黃油，用以減小試件與剛性承壓板之間的摩擦約束和加載過程中的應(yīng)力集中。同時(shí)在加載過程中，采用高清攝像機(jī)對(duì)試件破壞裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展、貫通進(jìn)行全程拍攝記錄。

2 裂隙數(shù)量對(duì)試件力學(xué)特性及破壞模式的影響

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度特征

不同裂隙數(shù)量試件在0°、30°、60°和90°傾角裂隙條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 不同裂隙數(shù)量試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2中可知，隨著裂隙數(shù)量的增加，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性變形階段的持續(xù)時(shí)間大為減小，并將提前進(jìn)入裂紋萌生與擴(kuò)展階段，與此同時(shí)應(yīng)變軟化階段也顯著延長(zhǎng)。但相對(duì)于前面幾個(gè)階段，裂隙數(shù)量對(duì)峰后破壞階段的影響變化最為明顯，在此著重分析。當(dāng)裂隙傾角小于90°時(shí)，隨著裂隙數(shù)量的增加，裂隙試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后破壞階段逐漸由快速下跌轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下跌，最后變?yōu)樗窖由焓骄徛碌砻麟S著裂隙數(shù)量的增加，裂隙試件的延性逐漸增強(qiáng)，最終出現(xiàn)完全延性特征，同時(shí)逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)變形破壞。裂隙傾角越小，這一現(xiàn)象越明顯。當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，裂隙數(shù)量對(duì)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響不明顯，其峰后破壞階段均表現(xiàn)為快速跌落，呈脆性方式破壞。這主要是由于當(dāng)裂隙方向與軸向主應(yīng)力方向平行時(shí)，裂隙雖然破壞了試件的完整性，但受結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響，對(duì)試件承載能力的影響較小。由以上分析可知，在傾斜和水平條件下，裂隙數(shù)量的增加對(duì)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線將產(chǎn)生較大影響，試件的延性增強(qiáng)，逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，當(dāng)裂隙數(shù)量足夠多時(shí)，試件將出現(xiàn)完全延性，呈近似塑性流動(dòng)變形破壞。同時(shí)還可以得到，裂隙傾角越接近主應(yīng)力加載方向，其結(jié)構(gòu)效應(yīng)就越發(fā)明顯，結(jié)構(gòu)效應(yīng)可以有效的緩和裂隙對(duì)試件的損傷效果。

圖3 不同裂隙數(shù)量試件峰值強(qiáng)度變化曲線

圖3 為不同裂隙數(shù)量試件在0°、30°、60°和90°傾角裂隙條件下的峰值強(qiáng)度曲線。在圖4中，當(dāng)裂隙傾角小于90°時(shí)，裂隙試件的峰值強(qiáng)度隨裂隙數(shù)量的增加而呈明顯的減小趨勢(shì)，其中60°傾角裂隙試件的減小幅度最為明顯，當(dāng)裂隙數(shù)量由1條依次增加至3條時(shí)，其峰值強(qiáng)度依次減小了25.4%和37.4%，表明裂隙對(duì)試件的損傷效應(yīng)隨其數(shù)量的增加而逐漸增強(qiáng)。但是，當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，裂隙試件的峰值強(qiáng)度隨裂隙數(shù)量的增加出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，但增減幅度很小，分別為4.3%和4.9%，這主要是由于此時(shí)裂隙的存在雖然破壞了試件的完整性，但是切割作用會(huì)在試件中部形成“多柱狀”的承載結(jié)構(gòu)，因此對(duì)試件的承載能力影響很小。

2.2 變形特征

試件的彈性模量能夠很好的反應(yīng)出試件的變形特征[10]，因此，對(duì)不同裂隙數(shù)量試件的彈性模量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，詳見圖4。

圖4 不同裂隙數(shù)量試件的彈性模量統(tǒng)計(jì)曲線圖

在圖4中，試件在不同裂隙傾角條件下的彈性模量隨著裂隙數(shù)量的增加總體上均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí)，減小趨勢(shì)最為明顯，但是，隨著裂隙傾角的逐漸增大，這種趨勢(shì)逐漸減弱，當(dāng)裂隙傾角增至90°時(shí)，試件彈性模量隨裂隙數(shù)量的增加只出現(xiàn)少許的下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于：①在受壓情況下，水平裂隙比傾斜和垂直裂隙更容易發(fā)生變形閉合，且隨著裂隙數(shù)量的增加，每條裂隙的變形閉合會(huì)出現(xiàn)一定程度的疊加，這就導(dǎo)致試件在受力情況下抵抗變形的能力減弱，彈性模量降低；②隨著裂隙傾角的增大，裂隙壓縮變形閉合逐漸減弱，而結(jié)構(gòu)效應(yīng)反而逐漸明顯，從而緩和了裂隙數(shù)量對(duì)試件彈性模量的損傷效果。

2.3 破壞模式

為了研究裂隙數(shù)量對(duì)試件破壞模式的影響，對(duì)0°、30°、60°和90°四種傾角條件下的不同數(shù)量裂隙試件在單軸壓縮條件下的破壞模式進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，詳見圖5。

圖5 不同裂隙數(shù)量試件的破壞模式

圖 5（a）～5（c）為 0°傾角條件下，不同裂隙數(shù)量試件的破壞模式示意圖。圖5（a）中，單裂隙試件主要由預(yù)制裂隙兩端產(chǎn)生的拉伸翼裂紋和拉伸反向翼裂紋延伸至試件頂、底部致使試件破壞，為典型的拉伸破壞模式；圖5（b）中的雙裂隙試件的破壞主要由雙裂隙左端的剪切次生裂紋和右端的拉伸翼裂紋分別交合并向試件邊界延伸所致，破壞模式以拉伸破壞為主，剪切破壞為輔；圖5（c）中三裂隙試件完全是由各預(yù)制裂隙產(chǎn)生的拉伸次生裂紋和拉伸翼裂紋延伸擴(kuò)展至試件頂?shù)撞繌亩鴮?dǎo)致試件喪失承載能力，為純粹的拉伸破壞。由以上分析可知，0°傾角條件下，試件的破壞模式受裂隙數(shù)量的影響程度不大，均以拉伸破壞為主或完全拉伸破壞模式。

圖 5（d）～5（f）為 30°傾角條件下，不同裂隙數(shù)量試件的破壞模式示意圖。在圖5（d）中，單裂隙試件的破壞主要是預(yù)制裂隙兩端的剪切翼裂紋分別向試件邊界延伸擴(kuò)展的結(jié)果，破壞模式主要為剪切破壞，局部存在拉伸破壞；圖5（e）中的雙裂隙試件為典型的拉剪復(fù)合破壞模式，分別由上、下部預(yù)制裂隙兩端的剪切翼裂紋和拉伸反向翼裂紋向上和向下延伸擴(kuò)展致使試件破壞；圖5（f）中三裂隙試件破壞形態(tài)與破壞模式與圖5（c）類似，為典型的拉伸破壞模式。對(duì)圖5（d）～5（f）的分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)可得到，在 30°傾角條件下，試件破壞模式易受裂隙數(shù)量的影響，試件的破壞模式由剪切破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)槔魪?fù)合破壞，最終變成純拉伸破壞模式。

圖 5（g）～5（i）為 60°傾角條件下，不同裂隙數(shù)量試件的破壞模式示意圖。圖5（g）中單裂隙試件由預(yù)制裂隙端頭產(chǎn)生的兩條剪切翼裂紋和一條拉伸翼裂紋相互連接貫通致使試件完全破裂，破壞模式為拉剪復(fù)合破壞；5（h）中雙裂隙試件的破壞由上部裂隙下端頭的拉伸次生裂紋和下部裂隙兩端的拉伸翼裂紋向上和向下延伸擴(kuò)展至試件邊界所致，為拉伸破壞模式；5（i）中三裂隙試件為拉剪復(fù)合破壞，試件上部以剪切破壞為主，下部以拉伸破壞為主，巖橋全部為剪斷。對(duì)圖 5（d）～5（f）的分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)可得到，在60°傾角條件下，裂隙數(shù)量對(duì)試件破壞模式的影響較為模糊，并沒有特定的轉(zhuǎn)變規(guī)律可循。

圖 5（j）～5（l）為 90°傾角條件下，不同裂隙數(shù)量試件的破壞模式示意圖。其中圖5（j）和圖5（k）中的單、雙裂隙試件的破壞模式基本相同，均由預(yù)制裂隙端頭發(fā)育的多條拉伸次生裂紋和拉伸遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋相互擴(kuò)展貫通致使裂隙試件的最終破壞，主要為拉伸破壞，但局部存在剪切破壞；圖5（l）中的三裂隙試件為純粹的剪切破壞，其左預(yù)制裂隙上端和右預(yù)制裂隙下端發(fā)育的剪切翼裂紋延伸至試件邊部，且兩者通過剪切裂紋貫通，從而致使試件完全破壞。對(duì)圖 5（j）～5（l）的分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)可得到，在90°傾角條件下，隨著裂隙數(shù)量的增加，試件逐漸由以拉伸破壞為主的破壞模式向剪切破壞轉(zhuǎn)變。

對(duì)圖7有的分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，得到：在不同傾角條件下，裂隙數(shù)量對(duì)試件破壞模式的影響效果差異很大，其中，裂隙數(shù)量對(duì)傾斜和垂直裂隙試件破壞模式的影響比水平裂隙試件的明顯。

4 結(jié) 論

1）裂隙數(shù)量對(duì)低強(qiáng)度巖體試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響非常大，可使其彈性變形階段的持續(xù)時(shí)間大為減小，并提前進(jìn)入裂紋萌生與擴(kuò)展階段，應(yīng)變軟化階段也顯著延長(zhǎng)，同時(shí)峰后破壞階段由快速下跌轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下跌，最后變?yōu)樗窖由焓骄徛碌砻麟S著裂隙數(shù)量的增加，裂隙試件的延性逐漸增強(qiáng)，最終出現(xiàn)完全延性特征，同時(shí)逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)變形破壞。但隨著裂隙傾角的增大，影響程度逐漸隨結(jié)構(gòu)效應(yīng)的增強(qiáng)而減弱。

2）在水平和傾斜裂隙條件下，低強(qiáng)度巖體試件的峰值強(qiáng)度隨裂隙數(shù)量的增加呈明顯減小趨勢(shì)，但在垂直裂隙條件下，受“多柱狀”承載結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響，試件的峰值強(qiáng)度不會(huì)隨裂隙數(shù)量的增加而出現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化。裂隙數(shù)量對(duì)不同裂隙傾角條件下低強(qiáng)度巖體試件的變形特征均有較大影響。

4）裂隙數(shù)量對(duì)傾斜和垂直裂隙試件破壞模式的影響要比水平裂隙試件的明顯。在傾斜和垂直裂隙條件下，試件的破壞模式將隨裂隙數(shù)量的增加在拉伸破壞和剪切破壞之間轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換規(guī)律不明確。