充填節(jié)理砂巖波速及強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

郭運(yùn)宏,馬芹永

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

砂巖是一種典型的沉積巖，在沉積過程中巖體內(nèi)部含有大量裂隙、節(jié)理，這種裂隙、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面對巖體的縱波波速和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[1]。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對節(jié)理巖體力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]通過一系列三軸壓縮試驗(yàn)研究了斷續(xù)節(jié)理對巖體強(qiáng)度的影響，總結(jié)了7種宏觀破壞模型。文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)得出，節(jié)理巖體峰值強(qiáng)度主要受節(jié)理幾何參數(shù)控制，且節(jié)理密度是影響巖體強(qiáng)度的最重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]通過裂隙大理巖的單軸壓縮試驗(yàn)探究其變形破壞特性。文獻(xiàn)[5-6]采用相似材料模型試驗(yàn)總結(jié)得出節(jié)理巖體動態(tài)強(qiáng)度及破壞模式與節(jié)理構(gòu)造形態(tài)有很大關(guān)系以及研究了非貫通巖體單軸壓縮動態(tài)損傷本構(gòu)模型。文獻(xiàn)[7]對天然貫通石灰?guī)r的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探究。文獻(xiàn)[8]對充填水泥砂漿巖石進(jìn)行探究，總結(jié)其峰值剪切強(qiáng)度的模型。文獻(xiàn)[9]對含層理黑云變粒巖的單軸壓縮試驗(yàn)并用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，探究力學(xué)特性。文獻(xiàn)[10]探究巖石單軸壓縮的表征損傷特征及演化規(guī)律。文獻(xiàn)[11]探究了花崗巖在沖擊荷載下的動態(tài)斷裂特征。文獻(xiàn)[12]探究了在真三軸應(yīng)力下巖石的物理模型。文獻(xiàn)[13]對兩塊石灰石進(jìn)行邊緣沖擊試驗(yàn)探究其動態(tài)碎裂特征。文獻(xiàn)[14]采用斷續(xù)的節(jié)理大理巖試件研究了裂隙參數(shù)幾何分布對其變形及破壞的影響，總結(jié)研究得出峰值強(qiáng)度、彈性模量等都出現(xiàn)明顯降低，且降低幅度與裂隙參數(shù)幾何分布有關(guān)。文獻(xiàn)[15]對非貫通節(jié)理巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，對巖石尖端塑性區(qū)和彈塑性斷裂模型進(jìn)行了深入的研究。

聲波波速是反映巖石密實(shí)程度的重要參數(shù)之一，而巖石的強(qiáng)度更是研究其靜態(tài)力學(xué)性能的關(guān)鍵。探究節(jié)理巖石充填材料和厚度對巖石試件的縱波波速和單軸壓縮下的強(qiáng)度的影響，可以為相關(guān)地下巖體工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。試驗(yàn)以安徽淮南張集北煤礦巷道掘進(jìn)過程中常見的砂巖為研究對象，研究節(jié)理巖石充填材料和厚度對巖石試件的縱波波速和單軸壓縮下的強(qiáng)度的影響，分析了節(jié)理對巖體強(qiáng)度及破壞模式的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖石采樣

試驗(yàn)所用巖石采自安徽淮南張集北礦北-1煤采區(qū)井底車場，巖性為砂巖，呈灰白色。利用立式取芯機(jī)、自動巖石切割機(jī)和雙端面磨石機(jī)等設(shè)備進(jìn)行取芯、切割和打磨，使其標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為φ50mm×100mm,使其滿足試驗(yàn)要求。

1.2 充填節(jié)理試件

試驗(yàn)試件的節(jié)理巖石的節(jié)理材料選用配比合適的水泥砂漿、水泥漿、石膏[16]，其節(jié)理材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 節(jié)理材料的力學(xué)參數(shù)

為研究充填材料對砂巖的縱波波速和單軸抗壓強(qiáng)度的影響，將充填物厚度統(tǒng)一為10mm。另外兩種充填厚度為5mm和15mm只是針對水泥砂漿節(jié)理材料，用于研究不同充填節(jié)理厚度對巖石的波速和單軸抗壓強(qiáng)度的影響。節(jié)理部分制作好后用環(huán)氧樹脂與巖石黏結(jié)成整體，尺寸均為φ50mm×100mm，試件示意圖如圖1所示。

圖1 試件示意圖

2 充填節(jié)理砂巖波速試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 節(jié)理材料對砂巖波速影響

砂巖加工完成后放在實(shí)驗(yàn)室讓其自然干燥，干燥之后采用超聲波測試儀測試不同充填節(jié)理材料巖石試件的波速，每組3個(gè)試件，節(jié)理厚度為10mm。Vp為試件的縱波波速，Va為試件的平均波速。結(jié)果如圖2所示。

圖2 節(jié)理材料對波速的影響分析圖

從圖2可以看出，完整砂巖試件的平均波速為3 512m/s，石膏節(jié)理試件的平均波速為2 847m/s，水泥漿節(jié)理試件的平均波速為3 149m/s，水泥砂漿節(jié)理試件的平均波速為3 224m/s。得出含節(jié)理巖石試件的波速比完整巖石分別降低了18.9%、10.3%、8.2%。

同時(shí)也可以看出，節(jié)理材料對砂巖試件的縱波波速有明顯影響。從表1來看，水泥砂漿的密度最大，水泥漿次之，石膏的密度最小，材料的密度對波速的傳播有著很大的影響，所以水泥砂漿節(jié)理砂巖試件的波速降低最小，影響最小，石膏節(jié)理砂巖試件的波速降低最大，影響最大。

2.2 節(jié)理厚度對砂巖波速影響

圖3 節(jié)理厚度對波速的影響分析圖

為研究節(jié)理厚度對砂巖波速的影響，選用水泥砂漿作為節(jié)理充填材料，三種不同的充填厚度，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，節(jié)理充填厚度對砂巖的波速有著明顯的影響，試件節(jié)理厚度為5mm、10mm、15mm時(shí)，節(jié)理砂巖試件的平均波速分別為3 291m/s、 3 224m/s、3 043m/s， 較完整砂巖試件的平均波速3 512m/s，波速分別降低了221m/s、288m/s、469m/s，降低幅度分別為6.3%、8.2%、13.3%。由此可得，節(jié)理砂巖的波速與節(jié)理的厚度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著節(jié)理砂巖厚度的增加，砂巖的波速逐漸降低。

砂巖的密度要比水泥砂漿大很多，所以在砂巖中的縱波波速要比節(jié)理部分中的水泥砂漿波速高，在充填材料相同的情況下，厚度越大對整體的影響就會越大，波速就會越低，就會反映出隨著厚度變大而波速降低的現(xiàn)象。

3 充填節(jié)理砂巖強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 節(jié)理材料和厚度對砂巖強(qiáng)度影響

對不同節(jié)理材料砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，節(jié)理厚度為10mm，每組選取兩個(gè)最接近的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同節(jié)理材料砂巖試驗(yàn)影響圖

從圖4可以看出，完整砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為63.5Mpa；充填石膏、水泥砂漿、水泥漿砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為21.61MPa、29.92MPa、60.4MPa，與完整砂巖試件相比強(qiáng)度分別下降了65.7%、52.9%、4.9%；充填節(jié)理材料對砂巖試件抗壓強(qiáng)度的有著顯著的影響。節(jié)理砂巖試件的整體抗壓強(qiáng)度會受節(jié)理材料的強(qiáng)度大小而發(fā)生變化，材料強(qiáng)度越大就會與砂巖強(qiáng)度越接近，其影響就會變??；而三種材料中水泥漿強(qiáng)度最大，石膏強(qiáng)度最小，即水泥漿節(jié)理砂巖試件的抗壓強(qiáng)度降低的幅度小，而石膏節(jié)理砂巖試件的抗壓強(qiáng)度降低的幅度就大，所以就會呈現(xiàn)出隨著節(jié)理材料強(qiáng)度降低而降低的趨勢。

對不同節(jié)理厚度砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，節(jié)理材料均為水泥砂漿，節(jié)理厚度均為5mm、10mm和15mm，每組選取兩個(gè)最接近的數(shù)據(jù)，表中σc表示抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同節(jié)理厚度砂巖試驗(yàn)影響

從圖5可以看出，完整砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為63.5Mpa；節(jié)理厚度為5mm、10mm、15mm的砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為40.7MPa、29.92MPa、27.23 MPa，較完整砂巖強(qiáng)度分別降低了35.9%、52.9%、57.1%。節(jié)理厚度對砂巖試件的強(qiáng)度具有明顯的影響，且試件的強(qiáng)度隨著節(jié)理厚度的增加而降低。

充填材料都是水泥砂漿，但水泥砂漿的強(qiáng)度比砂巖的強(qiáng)度要小，節(jié)理試件中的節(jié)理部分厚度會對試件強(qiáng)度的破壞有阻礙的作用。厚度越小，阻礙的效果就會越差，試件的破壞主要是砂巖部分，此時(shí)需要的應(yīng)力就會大，而當(dāng)節(jié)理部分厚度越大時(shí)，試件的破壞則是節(jié)理部分的先受破壞，此時(shí)砂巖部分還未到達(dá)破壞強(qiáng)度而試件整體確已經(jīng)破壞碎裂，強(qiáng)度則會比砂巖的強(qiáng)度小很多。這就會出現(xiàn)試件的強(qiáng)度隨節(jié)理厚度的增加而減小的現(xiàn)象。

(a)不同充填材料節(jié)理試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)不同充填厚度節(jié)理試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖6 不同節(jié)理材料和厚度砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6是單軸壓縮條件下的不同充填材料和厚度砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖6可以看出，不同充填節(jié)理材料和厚度的砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線都可以分為四個(gè)階段，分別是初始壓密階段、線彈性階段、塑性變形破壞階段和峰后破裂階段。

從圖6(a)中可以看出，完整砂巖初始壓密階段曲線比含節(jié)理試件是曲線要陡，曲線的斜率較大，充填水泥漿試件的曲線斜率的又比充填石膏和水泥砂漿曲線斜率要大;在線彈性階段中四條應(yīng)力-應(yīng)變曲線都近似于直線，但斜率相差很大，完整砂巖曲線斜率最大，含節(jié)理試件曲線斜率隨著節(jié)理材料強(qiáng)度的增大而變大；在塑性變形破壞階段，隨著節(jié)理材料強(qiáng)度的增大，試件曲線斜率逐漸變大；在峰后破裂階段，試件在到達(dá)峰值應(yīng)力過后，完整砂巖試件承載能力就快速的降為零，含節(jié)理試件則是較為緩慢的下降，逐漸降為零。

從圖6(b)中可以看出, 初始壓密階段曲線都存在上凹現(xiàn)象，但隨著節(jié)理厚度的增加，其曲線的斜率逐漸減??；在線彈性階段，四條應(yīng)力-應(yīng)變曲線都近似于直線，隨著節(jié)理厚度的增加，其曲線的斜率逐漸減小，說明節(jié)理厚度對砂巖試件的彈性模量有直接的影響；在塑性變形破壞階段，隨著節(jié)理厚度的增加，其曲線的斜率逐漸變小，說明隨著節(jié)理厚度的增加，釋放彈性能的速率有減小的趨勢；在峰后破裂階段，完整砂巖試件承載能力就快速的降為零，隨著節(jié)理厚度的增加，含節(jié)理試件的下降趨勢發(fā)生了變化，峰值應(yīng)力后，曲線逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，說明節(jié)理厚度的變化會對砂巖的破壞模式產(chǎn)生很大的影響。

從圖6中可以看到節(jié)理厚度為10mm的砂巖試件的極限應(yīng)變分別大于節(jié)理厚度為5mm和10mm試件的極限應(yīng)變，是不規(guī)律的現(xiàn)象，這與選擇的充填節(jié)理材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，當(dāng)材料的強(qiáng)度與砂巖的強(qiáng)度相近時(shí)，在單軸壓縮時(shí)會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，但該試驗(yàn)選擇的是水泥砂漿，其力學(xué)強(qiáng)度與砂巖相差較大，在做壓縮試驗(yàn)時(shí)，極限應(yīng)變會出現(xiàn)圖6中不規(guī)律情況。

3.2 節(jié)理材料和厚度對砂巖強(qiáng)度影響

圖7 不同充填材料及厚度的砂巖試件破壞形態(tài)

由圖7可知，不同充填材料的砂巖試件中，完整砂巖和含節(jié)理砂巖試件主要以張拉破壞為主，形成豎向的裂紋。完整砂巖破壞的比較嚴(yán)重，含節(jié)理試件的破壞程度相對較小，說明節(jié)理存在可以對裂紋的發(fā)展產(chǎn)生阻礙效應(yīng)。節(jié)理材料強(qiáng)度的不同，阻礙效應(yīng)也不一樣，隨著節(jié)理材料強(qiáng)度的增加，其破壞程度就越小，由于強(qiáng)度越大的材料單軸壓縮時(shí)釋放彈性能的就越大，就會阻礙其破壞過程，所以充填水泥漿節(jié)理試件的破壞就較小，裂紋也較少，而充填石膏砂巖試件破壞就較大，裂紋也多。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，不同充填厚度砂巖試件中，試件的破壞以拉剪破壞為主，并伴隨一定的破碎區(qū)。節(jié)理厚度為5mm時(shí)，沒有形成明顯的剪切破壞面，只能看到豎向的裂紋，節(jié)理部分破壞的不嚴(yán)重；節(jié)理厚度為10mm時(shí)，砂巖部分的破壞程度有所降低，節(jié)理部分破壞程度有所加深，出現(xiàn)少量的水平裂紋和破碎；節(jié)理厚度為15mm時(shí)，節(jié)理部分的水平裂紋增多，破碎面變大。這說明隨著節(jié)理厚度的增加，會轉(zhuǎn)移砂巖部分的能量，節(jié)理部分承擔(dān)的能量就會變大，破壞更明顯，裂紋變多。

4 結(jié)論

(1)不同的充填材料和厚度對節(jié)理砂巖試件的縱波波速有顯著的影響。充填材料的密度影響試件波速的大小，充填水泥砂漿試件影響最小，充填石膏試件影響最大；節(jié)理砂巖的波速與節(jié)理的厚度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著砂巖節(jié)理厚度的增加，砂巖的波速逐漸降低。

(2)在靜態(tài)單軸壓縮條件下，充填材料分別為水泥漿、水泥砂漿、石膏的砂巖試件，試件抗壓強(qiáng)度隨著節(jié)理材料強(qiáng)度的降低而降低。充填節(jié)理厚度為5mm、10mm、15mm砂巖試件，試件抗壓強(qiáng)度隨著節(jié)理厚度的增加而降低。

(3)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，都可以分為初始壓密階段、線彈性階段、塑性變形破壞階段和峰后破裂階段。不同充填節(jié)理材料和厚度的砂巖試件在各個(gè)階段中曲線的表現(xiàn)特征是顯著不同的。