天然微裂隙對白云巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

趙葉江，陳 旭

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550000）

微裂隙是巖石材料較為顯著的力學(xué)特征之一，主要包括原生裂隙、構(gòu)造裂隙和次生裂隙，其成因主要是成巖過程中形成的裂隙或空洞、構(gòu)造作用和卸荷行為以及人為取樣行為。因此，在巖石材料中由于存在微裂隙且它會(huì)逐漸發(fā)展，對巖石材料的力學(xué)性質(zhì)有重要影響。現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對巖石材料微裂隙的研究成果均表明裂隙對巖石材料的力學(xué)性質(zhì)影響十分明顯；雖然發(fā)現(xiàn)了一定的規(guī)律，但是還不夠全面，特別是微裂隙對白云巖的力學(xué)性質(zhì)影響研究方面。白云巖分布十分廣泛，因而研究微裂隙對其力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律十分必要。鑒于此，文章在已有研究的基礎(chǔ)上，從天然微裂隙密度及微裂隙傾角對白云巖力學(xué)性質(zhì)影響的角度出發(fā)，探究天然微裂隙對白云巖力學(xué)性質(zhì)影響的變化規(guī)律。

1 單軸壓縮試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣品與制備

此次試驗(yàn)的樣品取自貴州貴陽某隧道工程的白云巖，對所取試樣進(jìn)行SEM電鏡掃描得其主要的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 白云巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可知，試樣的微觀結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為霧狀、根狀和臺(tái)階狀三種結(jié)構(gòu)類型。從外觀上看，霧狀和臺(tái)階狀的天然微裂隙較少，而根狀結(jié)構(gòu)的試樣天然微裂隙較多，可見天然微裂隙主要產(chǎn)生于根狀結(jié)構(gòu)。

1.2 天然微裂隙的確定及量化

為確定白云巖天然微裂隙的裂隙長度力學(xué)試驗(yàn)中白云巖內(nèi)部微裂隙對白云巖強(qiáng)度特性、變形特性及破壞模式的影響，采用以下方法對試件的微裂隙（包括微裂隙數(shù)量、微裂隙長度以及微裂隙相對試件軸向的傾角）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體步驟如下：（1）用素描紙對白云巖試件的微裂隙進(jìn)行素描，在光線充足的條件下，借助光學(xué)放大鏡先用記號筆對巖石試件表面所能觀察到的毫米級裂隙（長度為10～100mm，寬度為0.01～1mm）進(jìn)行描繪，得到試件的微裂縫分布如圖2（a）所示。（2）將畫好的素描圖導(dǎo)入CAD軟件，即將素描好的裂隙分布圖拓印到白紙上，再把白紙上的裂隙分布圖掃描導(dǎo)入CAD軟件，通過CAD軟件對試件微裂隙的素描圖進(jìn)行計(jì)算分析，可得到微裂隙的數(shù)量、長度以及微裂隙相對試件軸向的傾角，如圖2（b）所示。

圖2 白云巖天然微裂隙的量化過程

由統(tǒng)計(jì)分析得到代表性試樣天然微裂隙密度Ka的分布區(qū)間結(jié)果如圖3所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，所取巖樣的微裂隙密度在0.0015～0.042mm/條，其平均值為0.024mm/條。

圖3 巖石試樣的微裂隙密度分布范圍

1.3 巖石試樣分組

由微裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，按照微裂隙密度將巖石試樣分為4組，按微裂隙傾角將巖石試樣分為5組，具體分組情況如表1、表2所示。

表1 巖石試樣按微裂隙密度分組情況

表2 巖石試樣按微裂隙傾角分組情況

2 試驗(yàn)結(jié)果

抗壓強(qiáng)度和彈性模量作為巖石材料重要的力學(xué)、變形參數(shù)，在描述巖石力學(xué)特性以及工程應(yīng)用中有著十分重要的作用。

2.1 微裂隙對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

由壓縮試驗(yàn)結(jié)果得到各個(gè)巖石試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同微裂隙密度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖4可知，該巖石試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為第Ⅰ類曲線，且?guī)r石試樣在不同微裂隙密度下，應(yīng)力隨應(yīng)變的不斷增加而增大；但隨著微裂隙密度的不斷增大，每個(gè)巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度在降低?？梢钥闯觯⒘严睹芏仁怯绊憥r石單軸抗壓強(qiáng)度的重要因素之一。由圖4（a）可知，在臺(tái)階狀、霧狀以及根狀三種主要的微觀結(jié)構(gòu)中，臺(tái)階結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)最好，根狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)最差；微裂隙密度越大，巖石試樣的根狀微觀結(jié)構(gòu)分布越密集，對力學(xué)性質(zhì)的影響越大，即隨微裂隙密度增大，巖石的抗壓強(qiáng)度大幅度降低。

2.2 微裂隙對單軸抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度與微裂隙密度、微裂隙傾角關(guān)系變化規(guī)律，如圖5、圖6所示。由圖5可知，在微裂隙密度為0～0.010mm/條、0.010～0.020mm/條、0.020～0.035mm/條以及0.035～ 0.045mm/條，巖石試樣的抗壓強(qiáng)度隨微裂隙密度的增大而減小，且變化幅度較為明顯。由圖6可知，在微裂隙密度相同的情況下，微裂隙傾角的變化對多裂隙巖石材料的強(qiáng)度影響規(guī)律較為顯著，即抗壓強(qiáng)度隨微裂隙傾角的增大呈先減小后增大的變化規(guī)律。總體而言，單軸壓縮試驗(yàn)條件下，含微裂隙巖石試樣的抗壓極限強(qiáng)度隨微裂隙傾角的增大呈逐漸增大的變化趨勢。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度與微裂隙密度的關(guān)系

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度與微裂隙傾角的關(guān)系

2.3 微裂隙對彈性模量的影響

彈性模量是巖石材料變形規(guī)律研究的重要參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算得到巖石試樣的彈性模量隨微裂隙密度變化關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，在微裂隙密度為0～0.010mm/條、0.010～ 0.020mm/條、0.020～0.035mm/條以及0.0350.045mm/條，巖石試樣的彈性模量隨微裂隙密度的增大而減小，且變化幅度較為明顯。

圖7 彈性模量與微裂隙密度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在單軸壓縮試驗(yàn)中，白云巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為Ⅰ類曲線，微裂隙主要由根狀微觀結(jié)構(gòu)控制。

（2）白云巖的單軸壓縮強(qiáng)度變化值為50.36～157.30MPa，彈性模量為21.86～66.71GPa，抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨微裂隙密度的增大而減小且微裂隙密度在0.010～0.020mm/條變化幅度最為明顯。

（3）隨微裂隙傾角的增大，抗壓強(qiáng)度先減小后增大，但在微裂隙傾角大于45°時(shí)，這種影響作用不明顯，表現(xiàn)為波動(dòng)影響。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果微裂隙密度、微裂隙傾角對巖石試樣的強(qiáng)度特性和彈性模量變化幅度影響較大。隨著微裂隙密度的增大，巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸降低。

（5）文章只從宏觀力學(xué)的角度研究了微裂隙密度、微裂隙傾角對白云巖力學(xué)性質(zhì)的影響，其具體的微觀破壞影響因素及力學(xué)破壞機(jī)理還有待進(jìn)一步研究討論。