含軟弱結(jié)構(gòu)面石灰?guī)r巴西劈裂破壞模式研究①

李子旋，雷 濤，2，葉海旺，2，趙 昀，王其洲，2，李立峰，2

（1.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070；2.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢430070）

巖體結(jié)構(gòu)中存在著大量的層理、節(jié)理以及裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面的存在會對巖體的破壞機制產(chǎn)生重要影響［1］。當巖體受到拉伸作用時，由于結(jié)構(gòu)面極易發(fā)生拉伸破壞，其分布特征和力學條件在一定程度上會對巖體的拉伸破壞具有控制性作用。近年來，國內(nèi)外學者對含結(jié)構(gòu)面巖石的劈裂破壞特性的研究主要從以下幾個方面展開：通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗，研究了巖石劈裂強度和破壞模式隨層理夾角的變化規(guī)律［2－5］；結(jié)合巖石力學和彈性力學理論，研究了巖石在不同層理傾角下破壞的力學解析解和發(fā)生破壞的判別條件［6－8］；從能量角度研究了巖石破壞過程能量隨層理角度的變化規(guī)律［9－10］。上述研究在揭示含結(jié)構(gòu)面巖體的拉伸破壞規(guī)律和機理方面取得了很多有價值的成果，但是這些研究針對的主要是膠結(jié)程度較好的層理面，而對含有泥質(zhì)、碎屑等軟弱充填物結(jié)構(gòu)面巖體的研究相對較少?；诖?，本文選取礦山現(xiàn)場的含軟弱結(jié)構(gòu)面石灰?guī)r，制作成含有不同結(jié)構(gòu)面傾角的試樣，通過室內(nèi)劈裂試驗研究不同條件下石灰?guī)r劈裂破壞模式，為進一步完善含結(jié)構(gòu)面巖體的力學特性和破壞機理提供基礎數(shù)據(jù)。

1 試驗設備及方法

本次試驗試樣為湖北省秭歸縣某水泥用礦山的石灰?guī)r，經(jīng)過切割、鉆孔、打磨，得到厚度為25 mm、直徑為50 mm 的圓盤試件，其上、下兩端面不平行度小于0.1 mm，端面與側(cè)面垂直角度誤差不超過0.25°，符合巖石力學試驗規(guī)程標準。

試驗所用加載設備為TAW—2000 微機控制三軸試驗機，該試驗機最大豎向加載力為2 000 kN，加載位移精度±0.5%FS，位移分辨率5 μm。試驗前，按實際需求在試樣上粘貼多組應變片，加載時，同步采用DH3816N 靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行應變數(shù)據(jù)的采集。

試驗時，規(guī)定軟弱結(jié)構(gòu)面傾角θ 為結(jié)構(gòu)面方向與水平方向的夾角，如圖1 所示。為了研究結(jié)構(gòu)面傾角變化對試樣破壞的影響，按照θ 為0°、15°、30°、45°、60°、90°將試樣分為6 組，每組3 個試樣。試驗加載時，先以0.5 mm／min 的位移控制加載到200 N，再以50 N／s 的荷載控制加載，直到試樣發(fā)生破壞。

圖1 結(jié)構(gòu)面傾角的規(guī)定

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同傾角結(jié)構(gòu)面劈裂破壞的應變分析

為了研究石灰?guī)r的破壞特征，試驗時，在圓盤試樣上粘貼應變片，通過分析應變片所測得的應變變化來進行探究。綜合每組試驗應變片所測得的數(shù)據(jù)，選取其中具有代表性的3 種情況。圖2 為3 種圓盤試樣的應變片布置圖，圖中虛線代表加載方向，實線代表軟弱結(jié)構(gòu)面所在位置，圖3 為圓盤上各應變片所測得應變-時間曲線。

圖2 應變片布置

圖3 不同結(jié)構(gòu)面傾角下石灰?guī)r的應變-時間曲線

由圖3（a）可知，1、2、3 號應變片主要測量水平方向的應變，4、5、6 號應變片主要測量豎直方向的應變。開始階段，各應變片應變數(shù)值都在增加，但1 號應變片增長明顯更快，這說明巖石試樣在受拉破壞時，是先在上端發(fā)生破壞，后逐漸向下擴展，以形成貫通的裂縫。在加載后期，1 號應變片的應變數(shù)值又突然增加，這是因為在加載過程中，主裂紋右側(cè)的次生裂紋進一步擴展，形成了一條通過1 號應變片的裂縫。由圖3（a）局部放大圖還可以看到，2 ～6 號應變片在曲線末端都有一段發(fā)生突然變化的部分，其中3 號和5 號最為明顯，這是因為隨著巖石試樣豎直拉裂紋的產(chǎn)生，繼續(xù)加載時，由于結(jié)構(gòu)面強度較低，而巖石中間壓應力又較大，巖石繞結(jié)構(gòu)面中心發(fā)生轉(zhuǎn)動，水平軟弱結(jié)構(gòu)面受到拉應力并在其兩端發(fā)生拉破壞，隨后逐漸向中間擴展，形成貫通的拉裂縫。

由圖3（b）可知，1、2、3 號應變片主要測量水平方向的應變，4、5、6 號應變片主要測量豎直方向的應變。開始階段，各應變片應變數(shù)值都在增加，但4、5、6 號應變片增長得更快，這主要是因為4、5、6 號應變片連線正好是試件受拉開裂的裂縫所在，而4 號的增長速度又明顯高于5 號和6 號，這說明巖石試樣在受拉破壞時，是先在上端發(fā)生破壞，后逐漸向下擴展，以形成貫通的裂縫，這可能與加載方式有關（加載泵控制夾具上升，其與上端壓板接觸時，試樣上端先受力）。7 號和8 號分別位于裂縫兩端，而8 號又位于豎直開裂縫上，因而其應變變化相對更為明顯，巖石在發(fā)生沿中心線的開裂破壞后，繼而發(fā)生沿軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞，因而，7 號應變片的變化很小。

由圖3（c）可知，1、2、3 號應變片主要測量豎直方向的應變，4、5、6 號應變片主要測量水平方向的應變。其中，3 號應變片變化較明顯，這是因為3 號應變片位于軟弱結(jié)構(gòu)面上，隨著加載力逐漸增大，沿結(jié)構(gòu)面方向的滑移力逐漸增大而大于其抗滑力，巖石沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞，當滑移面經(jīng)過3 號應變片時，應變片突然受壓，因而其應變值在曲線末端又突然增大。7 號和8 號應變片都位于軟弱結(jié)構(gòu)面右側(cè)，又位于試樣中心，因而加載時，主要受拉應力，又試樣并未發(fā)生沿中心的拉裂破壞，因而應變值較小。

當θ＝90°時，軟弱結(jié)構(gòu)面方向與加載方向一致，加載時，由于軟弱結(jié)構(gòu)面物理力學性質(zhì)很差，當夾具與上端固定壓板一接觸，巖石很快就會發(fā)生破裂，導致應變片來不及采集數(shù)據(jù)。這說明了結(jié)構(gòu)面中充填物力學性質(zhì)很差，其抗拉強度較小。

2.2 軟弱結(jié)構(gòu)面對劈裂破壞模式的影響

圖4 為石灰?guī)r試樣的破壞結(jié)果，巖石試樣的破壞過程可以總結(jié)為以下4 種破壞模式。

圖4 不同結(jié)構(gòu)面角度下的石灰?guī)r破壞試件

1）拉裂-拉裂破壞。如圖4（a）、（b）所示，當θ ＝0°和15°時，發(fā)生此種破壞。加載初期，結(jié)構(gòu)面所受剪應力很小，不會發(fā)生剪切破壞，而試樣中心巖石基質(zhì)所受拉應力逐漸增大，先達到巖石的抗拉強度發(fā)生開裂，形成貫通的豎直裂紋，隨著加載繼續(xù)進行，結(jié)構(gòu)面兩端發(fā)生拉破壞，從而形成沿結(jié)構(gòu)面方向的水平裂紋。

2）拉裂-滑移破壞。如圖4（c）所示，當θ＝30°時，發(fā)生此種破壞。加載時，結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生的法向力較大，而沿結(jié)構(gòu)面方向的滑動力較小，從而抑制了滑移的發(fā)生。隨著加載進行，試樣中心受拉首先發(fā)生開裂，這導致結(jié)構(gòu)面處的抗滑力瞬時降低，隨后便發(fā)生了滑移破壞。

3）沿結(jié)構(gòu)面的滑移破壞。如圖4（d）、（e）所示，當θ＝45°和60°時，一般發(fā)生此種破壞。加載時，沿結(jié)構(gòu)面方向的力大于其法向方向的力沿結(jié)構(gòu)面的分力，因此試樣首先會產(chǎn)生沿滑動面滑移的趨勢，而產(chǎn)生微小的滑移，隨著進一步加載，加載力沿結(jié)構(gòu)面方向的分力大于結(jié)構(gòu)面的抗滑力，而此時巖石基質(zhì)受到的拉應力小于巖石的抗拉強度，從而只發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞。

4）沿結(jié)構(gòu)面內(nèi)軟弱充填物的拉裂破壞。如圖4（f）所示，當θ＝90°時，豎向主裂紋沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)展，可以認為是軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)的充填物所受拉應力超過其抗拉強度，而發(fā)生破壞，形成貫通的豎直裂紋。此時，所求得的“抗拉強度”可以認為是石灰?guī)r和充填物交界面的抗拉強度。

石灰?guī)r的4 種破壞模式如圖5 所示，圖中實線代表軟弱結(jié)構(gòu)面，虛線代表圓盤最終的破壞裂紋，箭頭代表圓盤試件的破壞類型。

圖5 石灰?guī)r的4 種破壞模式

3 討 論

當圓盤試樣中的結(jié)構(gòu)面為膠結(jié)較好的層理面時，由于層理面和巖石基質(zhì)膠結(jié)較好，可以利用單弱面理論，并結(jié)合摩爾-庫倫破壞準則來進行解釋。分析時，將圓盤中心點的應力進行分解，可求得剪切破壞面上正應力和剪應力的公式，再聯(lián)立Claesson 等［11］提出的橫觀各向同性巴西圓盤中心的應力公式，建立方程即可求得剪切破壞面處的正應力和剪應力，最后根據(jù)摩爾-庫倫準則，得到圓盤沿層理破壞和沿基質(zhì)破壞的判別條件。

劉運思等［8］利用上述理論，并結(jié)合如圖6 所示的應力莫爾圓，對巖石中弱面的破壞條件進行了分析，認為當θ2≤θ≤θ1時，層理面應力點M 位于層理面強度曲線之上，圓盤發(fā)生層理面的剪切破壞；而當0°≤θ≤θ2或θ1≤θ≤90°時，M 點位于強度曲線之下，層理不發(fā)生剪切破壞，圓盤發(fā)生拉裂破壞。并據(jù)此得出板巖的幾種破壞模式：當0°≤θ≤15°時，為基質(zhì)的拉裂破壞；當30°≤θ≤60°時，為結(jié)構(gòu)面的剪切破壞；當75°≤θ≤90°時，為結(jié)構(gòu)面的拉裂破壞。

圖6 層理面的應力莫爾圓

當圓盤試樣中的結(jié)構(gòu)面為含有泥質(zhì)、碎屑等充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面時，由于軟弱充填物和巖石基質(zhì)膠結(jié)程度較差，其對圓盤試樣的破壞模式的影響也不盡相同。結(jié)合圖4～5，可知，當θ ＝90°時，為結(jié)構(gòu)面的拉裂破壞；當45°≤θ ≤60°時，為結(jié)構(gòu)面的剪切破壞；當0°≤θ≤30°時，圓盤試件都有基質(zhì)的拉裂破壞。這與層理對圓盤破壞機制的影響是相同的，可運用上述理論進行解釋。

但當0°≤θ≤15°時，圓盤試樣除了有基質(zhì)的拉裂破壞，還有結(jié)構(gòu)面的拉裂破壞，這是因為此時結(jié)構(gòu)面方向的剪應力小于其抗剪強度，因而不會發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞。隨著加載進行，巖石基質(zhì)受到的拉應力超過其抗拉強度，首先發(fā)生基質(zhì)的拉裂破壞，形成貫通的豎直裂紋，此時，圓盤試樣被分割成兩個獨立的個體，當繼續(xù)加載時，由于軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，可分成如圖7（a）所示的①②③④部分，圖7（b）為①部分的受力圖，其中Fa為②部分對其的壓力，F(xiàn)b為結(jié)構(gòu)面與巖石基質(zhì)之間的粘結(jié)力，F(xiàn)p為加載下顎對其的壓力。由材料力學理論，①部分在A 點受到的力矩為：

其中：Fp1＝Fpsinθ。

圖7 結(jié)構(gòu)面拉裂破壞機理

由于巖石基質(zhì)與結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)程度較差，隨著加載力增加，F(xiàn)p1h 很快就會大于Fbs，從而M＞0，巖石繞A 點逆時針轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)面受到拉應力，首先在B 點發(fā)生拉破壞，并逐漸向內(nèi)擴展，形成沿結(jié)構(gòu)面的貫通裂紋。此時，由于結(jié)構(gòu)面傾角θ 較小，在結(jié)構(gòu)面方向的分力Fa1小于其抗滑力，因此不會發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的滑移破壞。

當θ＝30°時，圓盤試樣除了發(fā)生基質(zhì)的拉裂破壞，還發(fā)生結(jié)構(gòu)面的拉裂和剪切破壞。其破壞過程如圖8所示，首先是巖石基質(zhì)受拉發(fā)生破壞，形成豎直裂紋，隨著繼續(xù)加壓，與圖7 類似，巖石各部分分別繞A 點和C 點轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)面受到拉應力，并在兩端發(fā)生拉裂破壞，形成沿結(jié)構(gòu)面方向的裂紋，此時由于結(jié)構(gòu)面發(fā)生了部分破壞，其內(nèi)充填物的粘聚力減小，導致其抗滑力減小，隨著加載力繼續(xù)增加，當沿結(jié)構(gòu)面方向的剪切力大于抗滑力時，就會發(fā)生結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞。

圖8 θ ＝30°試件破壞過程

4 結(jié) 論

1）隨著軟弱結(jié)構(gòu)面傾角變化，試樣的破壞模式主要有4 種：當θ ＝0°和15°時，試樣發(fā)生基質(zhì)的拉裂破壞，形成豎直的貫通裂紋；當θ ＝30°時，試樣先發(fā)生基質(zhì)的拉裂破壞，隨后在結(jié)構(gòu)面兩端發(fā)生拉裂破壞，最后發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞；當θ ＝45°和60°時，試樣發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞；當θ＝90°時，試樣發(fā)生結(jié)構(gòu)面的拉裂破壞。

2）當θ＝45°、60°和90°時，軟弱結(jié)構(gòu)面對巖石試樣劈裂破壞模式的影響與層理面類似，巖石的破壞機理相似；但當θ＝0°、15°和30°時，巖石的破壞機理更為復雜。