雙軸壓縮下雙裂隙類巖石材料力學(xué)特性及裂紋擴展

董振明,萬文,2,*,劉逸舒,盧振興

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

經(jīng)過億萬年的巖層構(gòu)造和地質(zhì)作用的影響,巖體本身存在著微觀裂紋與細觀內(nèi)部缺陷.而裂隙巖體是一種相對復(fù)雜的工程介質(zhì),它普遍存在于眾多的工程地質(zhì)中.裂隙巖體中存在著許多不同類型的不連續(xù)面,例如宏觀節(jié)理裂隙、弱面以及斷層等,這些不連續(xù)面嚴重影響了巖體的穩(wěn)定性[1-3].造成了很多大型巖體工程中的塌方、地震、巖爆、滑坡、地表塌陷以及隧道內(nèi)突水等嚴重的地質(zhì)災(zāi)害與工程問題.由此可見研究含裂隙巖體在應(yīng)力下的破壞規(guī)律及裂紋擴展,對工程災(zāi)害防治和資源開采的意義重大.

國內(nèi)外不少學(xué)者研究了含裂隙巖石在單軸或雙軸壓縮下的破斷規(guī)律[4-7].楊圣奇[8,9]研究了單軸壓縮下巖橋傾角對多裂隙砂巖試樣破壞特性與裂紋擴展規(guī)律的影響.趙延林等[10]對有序多裂隙類巖石試件進行單軸壓縮實驗,研究裂隙條數(shù)及裂隙傾角的不同對試件力學(xué)機制和裂紋擴展規(guī)律的影響.蒲志成等[11]根據(jù)滑動裂紋模型理論對含2條貫通裂隙類巖石試件進行壓縮試驗研究,并結(jié)合破壞形態(tài)分析裂隙試件斷裂破壞機理.張波等[12]對多種含交叉裂隙巖體在單軸條件下的破壞模式及力學(xué)特性進行了研究.劉紅巖等[13]采用相似材料展開了關(guān)于節(jié)理巖體的7個節(jié)理參數(shù)影響下的單軸壓縮試驗,分析節(jié)理構(gòu)造對巖體峰值強度及破壞模式的影響.唐建新等[14]使用MTS-815對單裂隙砂質(zhì)泥巖試件進行常規(guī)單軸試驗,研究單裂隙的傾角和長度影響下的力學(xué)性質(zhì)、變形參數(shù)及破壞模式.Wong等[15]分析含多條預(yù)制裂隙的類巖石材料在單軸加載下的試件破壞形式及開裂過程,研究裂紋的破斷行為機理.

目前關(guān)于含裂隙類巖石裂紋擴展的相關(guān)研究,已有諸多成果.大多數(shù)還是以巖石斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),研究其破壞模式,卻少有針對裂隙間裂紋優(yōu)勢擴展的問題進行探討.本文基于甕福穿巖洞礦的礦區(qū)構(gòu)造,發(fā)現(xiàn)其巖體結(jié)構(gòu)面上存在著許多節(jié)理裂隙,而且這些節(jié)理的長度及節(jié)理間的距離是普遍不相等的.在此基礎(chǔ)上設(shè)計了預(yù)制平行雙裂隙類巖石試件的雙軸壓縮物理試驗,研究裂隙長度比和裂隙間距在不同的側(cè)壓條件下對試件力學(xué)特性以及裂紋的擴展規(guī)律的影響.

1 試驗概況

1.1 雙裂隙試件的空間設(shè)計及制備

由于原巖取樣較為困難且現(xiàn)場原位試驗難度較大,一般采用相似模擬的方法制作巖樣.本研究選用相似性材料(由p.o.32.5水泥、沙、水組成的水泥砂漿)進行制備雙裂隙類巖石試件,其配料質(zhì)量比為m水泥∶m沙∶m水=26∶25∶10.配料前,需用20目(孔徑約0.85 mm)的篩子篩選干河沙.將攪拌均勻的水泥砂漿倒入表面拋光的10 mm厚鋼制模板模具中,經(jīng)過振實、抹平、預(yù)制裂隙等,制備尺寸為長×寬×高=150 mm×150 mm×30 mm的預(yù)制平行雙裂隙類巖石試件.室溫環(huán)境下靜置約12 h后拔出鋼片,將預(yù)制試件脫模，剔除形狀不規(guī)整、表面或端部不平整和裂紋未貫通的破損試樣.選取制備合格的試件灑水養(yǎng)護28 d,并將其分類編號.

設(shè)置試件的幾何參數(shù):裂隙傾角α=30°,下部次裂隙長度固定為a=10 mm,上部主裂隙長度為d(d=a,2a,3a,4a,5a),裂隙長度比為c=d/a,裂隙間距為L(L=0.5a,a,1.5a,2a,2.5a,3a),裂紋寬度為1 mm.雙裂隙試件的空間設(shè)計具體如圖1所示.

a：下部預(yù)制裂隙長度；d：上部預(yù)制裂隙長度；L：裂隙間距；α：裂隙傾角

1.2 試驗設(shè)備和加載方式

預(yù)制平行雙裂隙類巖石試件在設(shè)備RYL-600微機控制巖石剪切流變儀上進行雙軸壓縮試驗，如圖2所示.加載前對試件涂抹潤滑油以防發(fā)生端部效應(yīng),采用荷載控制的加載方式,以100 N/s的恒定加載速率對巖石施加預(yù)定的側(cè)向壓力(0.0,0.5,1.0 MPa);然后以恒速100 N/s對試件豎向加壓直至破壞.使用佳能750D數(shù)碼相機記錄雙軸加載條件下試件破壞全過程和破壞結(jié)果.

圖2 RYL-600巖石剪切流變儀及加載方式

2 雙裂隙類巖石試件破斷力學(xué)特性

2.1 單軸壓縮下完整試件破壞分析

首先以上述試驗裝置與加載方式對完整試件進行單軸壓縮試驗,得到此配比類巖石材料的物理力學(xué)性能如表1所示.

表1 完整試件單軸壓縮下物理力學(xué)性能

從圖3單軸壓縮下完整試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出,試件表現(xiàn)出塑性-彈性-塑性的性質(zhì),大致符合“S”形曲線.完整試件在壓縮過程中經(jīng)歷了4個階段:裂隙壓密、彈性應(yīng)變、非穩(wěn)定破裂、峰后破壞階段.

圖3 完整類巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1)裂隙壓密階段(OA段).隨著軸向力的加載,類巖石原有的內(nèi)部裂隙被壓密,OA段曲線的切線斜率逐漸增大,變形為上凹型,體現(xiàn)出初期非線性變形.而且在裂隙閉合階段,試件內(nèi)部裂隙會因為受壓而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,表現(xiàn)出明顯的塑性變形,但并不會致使試件表面出現(xiàn)宏觀裂紋.

2)彈性變形階段(AB段).該階段盡管試件的變形存在些許不可恢復(fù)的一些過程,例如裂隙受壓閉合或張開,但作用在試件上的軸向應(yīng)力與相應(yīng)的軸向應(yīng)變呈線性相關(guān),變形曲線近似一條直線,主要表現(xiàn)為彈性變形,變形情況服從胡克定律.

3)非穩(wěn)定破裂(BC段).隨著進一步加大軸向荷載,應(yīng)力超過了B點(彈性極限或屈服極限),軸向應(yīng)力與相應(yīng)的軸向應(yīng)變不再呈線性相關(guān),其關(guān)系曲線不再呈直線,表示出非線性塑性變形.該階段有新的微裂紋產(chǎn)生并發(fā)生擴展,直至貫通整個試件,最終達到C點,稱之為峰值強度.

4)峰后破壞階段(CE段).進入此階段,試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始破壞,會出現(xiàn)宏觀的較大范圍的裂紋.CD段為應(yīng)變軟化階段,在超過峰值強度后,軸向應(yīng)力發(fā)生大幅跌落,試件產(chǎn)生宏觀裂紋,并向試件邊界擴展至貫通.隨著軸向持續(xù)加載,軸向應(yīng)力隨著變形小幅度增加,此時靠試件內(nèi)部晶粒和裂隙間的相互摩擦來承受荷載,具有一定殘余強度.此后應(yīng)力再一次跌落,試件完全破壞,失去承載能力.

2.2 裂隙長度比對試件強度的影響

當(dāng)裂隙間距為L=30 mm時,在不同側(cè)壓條件下不同裂隙長度比對試件強度影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4a所示.與完整試件相比,含兩條裂隙的試件在試驗加載過程中,同樣經(jīng)歷了4個階段:裂隙壓密、彈性變形、裂紋萌生和擴展、應(yīng)力軟化和殘余承載階段,屬于彈-塑-彈性體.裂隙試件在加載到峰值強度后,應(yīng)力會迅速跌落,試件發(fā)生完全破壞.從圖4b中可以看出:試件的峰值強度隨側(cè)壓的增大而增大;側(cè)壓為0 MPa時,峰值強度在裂隙長度比1～2變化明顯,側(cè)壓增大到0.5和1.0 MPa時,峰值強度在裂隙長度比3～4變化明顯;3種側(cè)壓下,峰值強度均隨著裂隙長度比的增大而減小.說明裂隙間距不變時,裂隙長度比的增大促進了試件的劣化,而側(cè)壓的增大緩解了這種劣化作用,側(cè)壓對試件的裂紋起裂有限制效果.

圖4 L=30 mm時不同側(cè)壓情況下不同裂隙長度比的試件軸向應(yīng)力關(guān)系曲線

2.3 裂隙間距對試件強度的影響

圖5為裂隙長度比c=3時,不同側(cè)壓條件下不同裂隙間距對試件強度影響的應(yīng)力關(guān)系曲線.由圖5a中3種側(cè)壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈“S”形曲線,再次驗證了裂隙試件的塑性-彈性-塑性的性質(zhì).從圖5b可看出:試件的峰值強度大致隨側(cè)壓的增大而增大,而圖中裂隙間距為5 mm時,側(cè)壓0.5 MPa下的峰值強度要小于側(cè)壓為0 MPa下的峰值強度,主要是由于試件存在著離散型;側(cè)壓為0 MPa時,試件的峰值強度在裂隙間距20～25 mm變化最明顯,而側(cè)壓為0.5和1.0 MPa時,峰值強度在裂隙間距5～10 mm變化最明顯;在不同側(cè)壓下,均表現(xiàn)出裂隙間距越大峰值強度越大，說明當(dāng)裂隙長度比不變(即主裂隙長度不變)時,隨著裂隙間距的增大,兩裂隙間相互影響作用減弱,需要更大的應(yīng)力滿足裂隙的起裂,峰值強度隨之增大.

圖5 c=3時不同側(cè)壓情況下不同裂隙間距的試件軸向應(yīng)力關(guān)系曲線

3 裂紋擴展特征

3.1 裂隙長度比對裂紋擴展規(guī)律的影響

以裂隙間距L=30 mm的試件組為例,研究不同裂隙長度比的試件在側(cè)壓為0.5 MPa下的裂紋擴展規(guī)律，如圖6所示.

W:翼型裂紋; S:剪切裂紋; →:裂紋發(fā)展方向

當(dāng)裂隙長度比c=1時,兩條預(yù)制裂隙尖端處均出現(xiàn)新翼型裂紋,并隨著加壓而不斷擴展(見圖6a).其中一部分翼型裂紋沿著巖橋相向擴展致使巖橋貫通,而另一部分沿著近似垂直于預(yù)制裂隙的方向向試件端部擴展,試樣被徹底貫通,發(fā)生破壞.裂紋貫通方式以翼型裂紋主導(dǎo),試件破壞表現(xiàn)為張拉破壞.

當(dāng)裂隙長度比c=2時,其裂隙起裂于上部主裂隙的左尖端,在軸向應(yīng)力不斷增加的情況下,兩條裂隙尖端處均發(fā)生擴展且局部出現(xiàn)新的剪切裂紋(見圖6b).裂紋數(shù)量變多且擴展更明顯,兩種裂紋的擴展結(jié)合使試樣沿預(yù)制裂隙傾斜方向貫通破壞.其貫通方式為翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞.

當(dāng)裂隙長度比c=3時,上部主裂隙兩端均出現(xiàn)翼型裂紋,其中一條向試件端部發(fā)生擴展,另一條翼型裂紋與下部裂隙稍滯后產(chǎn)生的翼型裂紋連通巖橋(見圖6c).下部裂隙尖端同時出現(xiàn)剪切裂紋和翼型裂紋,兩種裂紋均向端部擴展.試件的破壞由兩種裂紋不同程度的擴展共同影響.其貫通方式以翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞.

當(dāng)裂隙長度比c=4時,拉伸翼型裂紋從上部主裂隙尖端處出現(xiàn),并向上朝端部擴展或向著試件中心擴展.在翼型裂紋擴展過程中,上部主裂隙右尖端與下部次裂隙先后出現(xiàn)斜面剪切裂紋及翼型裂紋,并朝著試件端部擴展(見圖6d).上部主裂隙先于下部次裂隙起裂并擴展.翼型裂紋最終與試件端部貫通,試樣失去承載能力而破壞,其貫通方式為翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞.

當(dāng)裂隙長度比c=5時,上部主裂隙先出現(xiàn)翼型拉裂紋,稍滯后主裂隙右尖端處出現(xiàn)剪切裂紋(見圖6e)，直到主裂隙產(chǎn)生的裂紋擴展至與端部貫通,下部短裂隙均不出現(xiàn)裂紋擴展的情況.其貫通模式以翼型裂紋為主,試件破壞表現(xiàn)為張拉破壞為主,剪切破壞為輔..

由上述分析可知,裂隙長度比對裂隙試件裂紋擴展具有一定的影響,但并不足以完全改變試件的貫通模式.在裂隙長度比c≤4時,預(yù)制的兩條裂隙均在試件破壞前出現(xiàn)新的裂紋,且一般是上部主裂隙起裂要先于下部次裂隙,而當(dāng)c=5時,下部次裂隙不發(fā)生裂紋擴展,上部主裂隙依然擴展.由此可見,隨著裂隙長度比的增大,上部主裂隙擴展對下部次裂隙擴展的抑制作用愈加明顯,體現(xiàn)了主裂隙具有明顯的優(yōu)勢擴展特性.

3.2 裂隙間距對裂紋擴展規(guī)律的影響

以裂隙長度比c=3,施加0.5 MPa側(cè)壓的試件組為例,分析不同裂隙間距的試件在雙軸壓縮試驗中的裂紋擴展規(guī)律,如圖7所示.

W:翼型裂紋; S:剪切裂紋; →:裂紋發(fā)展方向

當(dāng)裂隙間距L=5 mm時,上部主裂隙左尖端出現(xiàn)翼型拉裂紋,隨軸向應(yīng)力增加一直向端部擴展,直至試件被貫通.試樣破壞過程中下部短裂隙未出現(xiàn)任何裂紋,試件破壞完全由上部主裂隙的發(fā)展所致.裂紋貫通方式以翼型裂紋主導(dǎo),試件破壞表現(xiàn)為張拉破壞,見圖7a.

當(dāng)裂隙間距L=10 mm時,上部主裂隙左右兩尖端處均出現(xiàn)翼型拉裂紋擴展,下部次裂隙稍滯后產(chǎn)生翼型裂紋和剪切裂紋.兩裂隙產(chǎn)生的翼型裂紋相互搭接向端部擴展,試件的破壞由預(yù)制的兩條裂隙共同影響.其貫通方式以翼型裂紋為主,試件破壞表現(xiàn)為張拉破壞為主,剪切破壞為輔,見圖7b.

當(dāng)裂隙間距L=15 mm時,兩條預(yù)制裂隙在試件達到貫通破壞后均有不同程度的裂紋擴展,其貫通方式為翼型裂紋為主,試件破壞表現(xiàn)為張拉破壞為主,剪切破壞為輔,見圖7c.

當(dāng)裂隙間距L=20 mm時,翼型裂紋于上部主裂隙左尖端處起裂向試件端部擴展,主裂隙右尖端產(chǎn)生的翼型拉裂紋向中心擴展,而下部次裂隙右尖端稍滯后產(chǎn)生剪切裂紋,兩條裂紋沿著巖橋擴展連通.下部次裂隙左尖端也產(chǎn)生了翼型裂紋,并向端部擴展.其貫通方式為翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞,見圖7d.

當(dāng)裂隙間距L=25 mm時,預(yù)制的兩條裂隙尖端處在試件被貫通之前均有翼型拉裂紋和剪切裂紋出現(xiàn),且發(fā)生了不同程度地擴展.其貫通方式為翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞,見圖7e.

當(dāng)裂隙間距L=30 mm時,上部主裂隙兩端均出現(xiàn)翼型裂紋,其中一條向試件端部發(fā)生擴展,另一條翼型裂紋與下部裂隙稍滯后產(chǎn)生的翼型裂紋連通巖橋.下部裂隙尖端同時出現(xiàn)剪切裂紋和翼型裂紋,兩種裂紋均向端部擴展.試件的破壞由兩種裂紋不同程度的擴展共同影響.其貫通方式為翼型裂紋+剪切裂紋,試件破壞表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞,見圖7f.

由上述分析可知,裂隙間距對裂隙試件的裂紋擴展具有一定的影響,當(dāng)裂隙間距越小,下部次裂隙的裂紋發(fā)展越不明顯,甚至不出現(xiàn)裂隙.隨著裂隙間距的增大,兩條預(yù)制裂隙之間的相互影響作用減弱,出現(xiàn)的新裂紋越來越多,下部次裂隙的裂紋發(fā)展也越明顯.

4 結(jié)論

1)與完整試件相比,含裂隙類巖石試件的承載強度要偏小,同樣也經(jīng)歷了4個階段: 裂隙閉合、彈性變形、裂紋萌生和擴展、應(yīng)力軟化和殘余承載階段.表現(xiàn)出塑性-彈性-塑性的力學(xué)性質(zhì).

2)裂隙長度比對試件有劣化作用,裂隙長度比越大,試件的峰值強度越低;裂隙間距越大,兩條預(yù)制裂隙之間的相互影響作用越弱,峰值強度越高.此外,側(cè)壓的增大提高了試件的峰值強度,側(cè)壓對裂隙試件的起裂有抑制作用.

3)在試驗中,試件破壞大多表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞,且上部主裂隙先于下部次裂隙起裂,表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢擴展特性;裂隙長度比越大,上部主裂隙擴展對下部次裂隙擴展的抑制保護作用越明顯,當(dāng)裂隙長度比增大到5時,下部次裂隙不發(fā)生裂紋擴展;裂隙間距越小,下部次裂隙的裂紋發(fā)展越不明顯,甚至不出現(xiàn)裂隙,隨著裂隙間距的增大,兩條預(yù)制裂隙均發(fā)生不同程度的擴展.