裂隙幾何特征對巖體力學(xué)特性的模擬試驗(yàn)研究

白 杰，袁 超

（1.中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

巖體工程受內(nèi)部微裂紋等細(xì)觀缺陷及裂隙等宏觀缺陷的影響，在外荷載不斷變化下，裂紋會在某些結(jié)構(gòu)面或其中的薄弱部位逐漸地?cái)U(kuò)展、演化和匯合，易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。巖體工程災(zāi)害問題嚴(yán)重制約了資源開采利用，根本原因是對巖體工程材料缺乏足夠認(rèn)識，研究巖體損傷及強(qiáng)度特性則是解決工程災(zāi)害難題的科學(xué)基礎(chǔ)[1-2]。近年來，學(xué)者們對裂隙巖體力學(xué)特性的研究取得了許多階段性成果。ZHAO等[3]、LI 等[4]對含有裂隙類巖石材料開展了單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋凝聚的類型與裂隙的幾何形狀有關(guān)；趙建軍等[5]通過類巖石材料，研究了不同長度裂隙對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了巖體強(qiáng)度與裂隙長度負(fù)相關(guān)關(guān)系；張偉等[6]研究了裂隙傾角對巖樣壓縮變形特性的影響，分析得到了不同傾角裂隙巖樣的破壞形態(tài)；冒海軍等[7]、崔景昆等[8]通過力學(xué)特性試驗(yàn)，得到了結(jié)構(gòu)面傾角與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系；李文洲等[9]通過對裂隙煤巖體變形破壞特征的研究，分析了裂隙擴(kuò)展臨界載荷與裂隙不同角度間的關(guān)系；劉紅巖等[10]、鮮于文攀等[11]基于相似材料對巖石進(jìn)行單軸模型試驗(yàn)，并將裂隙巖體的破壞模式分為張性貫通、剪性貫通和張剪性貫通；李術(shù)才等[12]、李團(tuán)結(jié)等[13]通過CT 實(shí)時(shí)觀測得到了荷載作用下裂隙巖體的裂紋擴(kuò)展規(guī)律；JIANG 等[14]利用單軸壓縮試驗(yàn)研究了含預(yù)制裂隙巖樣的裂紋擴(kuò)展機(jī)制及破壞模式。除此之外，一些學(xué)者還通過壓縮模擬試驗(yàn)來研究裂隙傾角變化導(dǎo)致巖體抗壓強(qiáng)度的各向異性[15-19]。

以上研究從試驗(yàn)層面對裂隙巖體進(jìn)行宏觀力學(xué)特性的研究較多，通過宏細(xì)觀綜合效應(yīng)反映巖體力學(xué)特性的研究較少；考慮裂隙單一的形狀、大小、位置等對巖體變形破壞過程影響的研究較多，考慮裂隙幾何特征影響的研究較少；采用類巖石材料模擬裂隙進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的研究較多，基于真實(shí)巖體材料研究較少，試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，很難直接指導(dǎo)工程實(shí)踐。為此，對含預(yù)制裂隙砂巖開展單軸壓縮試驗(yàn)，輔以SEM、NMR、Vic-3D 應(yīng)變測量等技術(shù)，重點(diǎn)研究不同裂隙幾何特征對巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。鉆取φ50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖樣，利用水刀在巖樣上制作不同幾何特征的裂隙，用于巖體抗壓強(qiáng)度的測試。最終用于試驗(yàn)的完整巖樣3 塊，裂隙巖樣36 塊（不同裂隙長度9 塊；不同裂隙貫穿度9 塊；不同裂隙數(shù)量9 塊，不同裂隙傾角9 塊）。本試驗(yàn)采用單因素控制變量法，即考慮不同裂隙長度時(shí)，裂隙貫穿度、數(shù)量及傾角均為定值。巖樣試驗(yàn)分組見表1。

表1 巖樣壓縮試驗(yàn)分組表Table 1 Grouping table of rock sample compression test

2）試驗(yàn)設(shè)備。Vic-3D 非接觸式全應(yīng)變測量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制、設(shè)備校準(zhǔn)、圖像采集、采光照明、數(shù)字分析5 部分組成，能夠獲得巖樣表面位移場和應(yīng)變場的分布。核磁共振成像分析系統(tǒng)由試驗(yàn)臺和操作分析臺2 部分組成，能夠?qū)r樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。

3）試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)分預(yù)壓階段和正式試驗(yàn)2 個(gè)階段，具體操作步驟如下：將巖樣上下表面打磨平整，采用凡士林潤滑減小端部約束；預(yù)加載1 kN 的力以固定巖樣，試驗(yàn)過程采用0.05 mm/min 軸向位移控制直至巖樣失穩(wěn)破壞；對加載破壞后的巖樣用透明收集袋收好、編號，并拍照記錄；計(jì)算巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，并繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；對差異性較大的巖樣數(shù)據(jù)，應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2 巖樣物理力學(xué)特性

2.1 超聲縱波

巖樣平均縱波波速圖如圖1。

圖1 巖樣平均縱波波速圖Fig.1 Average longitudinal wave velocity of rock samples

由圖1 可知：聲波在完整及裂隙巖樣傳播時(shí)，其波速表現(xiàn)出一定的差異性。相較于完整巖樣，裂隙巖樣波速隨著裂隙長度、貫穿度及數(shù)量的增加，波速呈加速下降趨勢；而隨著裂隙傾角的增加，波速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。分析原因：聲波在液體中的傳播速度大于空氣中速度，因此不同裂隙幾何特征巖樣的波速整體低于完整巖樣，且在通過裂隙巖樣時(shí)，聲波由于發(fā)生折射、反射及能量損失，波速也會發(fā)生衰減。

2.2 孔隙特征

巖樣掃描電鏡圖如圖2。

圖2 巖樣掃描電鏡圖Fig.2 SEM of rock sample

由圖2（a）巖樣500 倍電鏡圖像特征可以看出:巖樣的基本骨架由規(guī)則不一的顆粒隨機(jī)分布構(gòu)成，顆粒間邊界明顯，粒間孔和粒間隙由礦物碎屑填充和黏土礦物黏結(jié)；由圖2（b）1 000 倍電鏡圖片可知：顆粒間間隙主要由位于顆粒表面薄膜狀的黏土礦物膠結(jié)，但仍有部分粒間孔存在。

2.3 力學(xué)特性

巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖3。

圖3 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curves of rock samples

由圖3（a）可知：完整巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密段較短，彈性段曲線斜率最大，裂隙長度由10 mm增加到20、30 mm 時(shí)，巖樣表現(xiàn)為壓密段增長，彈性段曲線斜率減小，峰值點(diǎn)應(yīng)力降低，巖體抗壓強(qiáng)度隨裂隙長度的增加不斷減小，完整巖樣表現(xiàn)出明顯脆性破壞，巖樣隨著裂隙長度的增加，表現(xiàn)為脆性減弱，塑性增強(qiáng)；由圖3（b）可知：不同裂隙貫穿度巖樣曲線變化趨勢與完整巖樣一致，壓密段和彈性段近乎重合，在其達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線呈快速下降趨勢，表現(xiàn)出明顯的塑性特征；由圖3（c）可知：不同裂隙數(shù)量巖樣壓密段趨勢近似一致，巖樣彈性段曲線斜率、峰值強(qiáng)度均隨裂隙數(shù)量的增加而逐漸減小；由圖3（d）可知：不同裂隙傾角巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢與完整巖樣基本一致，峰后曲線下降速率明顯，巖體表現(xiàn)為脆性破壞。

2.4 破壞模式

2.4.1 不同裂隙長度巖體破壞模式

不同裂隙長度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展如圖4。

圖4 不同裂隙長度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展Fig.4 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack lengths

由圖4 可知：單軸壓縮下裂紋從巖樣兩端開始萌生，隨著荷載的增加裂紋不斷發(fā)育、擴(kuò)展直至巖樣破壞，表現(xiàn)為明顯的拉伸破壞；隨裂隙長度的增加巖樣表現(xiàn)為明顯的剪切破壞，在受力過程中裂紋沿著裂隙的兩端開始起裂發(fā)展，最終與預(yù)制裂隙匯合貫通，巖樣發(fā)展破壞。分析原因：當(dāng)巖樣完整時(shí)在軸向加載下，主要受拉應(yīng)力，整體呈現(xiàn)拉伸破壞；當(dāng)裂隙長度增加時(shí)，預(yù)制裂隙相互間的尖端既受壓應(yīng)力又受拉應(yīng)力，尖端破壞后形成沿著預(yù)制裂隙和垂直預(yù)制裂隙傾斜方向的翼型裂紋和反翼型裂紋。

2.4.2 不同裂隙貫穿度巖體破壞模式

不同裂隙貫穿度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展如圖5。

圖5 不同裂隙貫穿度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展Fig.5 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack penetration

由圖5 可知：不同貫穿度裂隙巖樣主要裂紋形式有剪切裂紋、翼型裂紋和反翼型裂紋，并伴有遠(yuǎn)場拉伸裂紋及各方向細(xì)微次生裂紋，對比完整巖樣壓縮破壞裂紋形式更加復(fù)雜。分析原因：由于裂隙貫穿度的不斷增加，造成巖樣的豎向拉伸裂紋逐漸向預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)的剪切裂紋傾斜，且衍生出的翼型裂紋及反翼型裂紋逐漸增多，巖樣內(nèi)部抵抗荷載的面積減小，抵抗剪切變形的能力減弱，破壞模式由拉伸破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。

2.4.3 不同裂隙數(shù)量巖體破壞模式

不同裂隙數(shù)量巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展如圖6。

圖6 不同裂隙數(shù)量巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展Fig.6 Failure modes and crack propagation of rock samples with different cracks

由圖6 可知：巖樣裂紋形式無論是翼型裂紋還是反翼型裂紋，巖樣在破壞過程中會伴隨著次生裂紋的產(chǎn)生；隨著裂隙數(shù)量的增加，巖樣由單條裂隙的剪切破壞向多條裂隙巖橋間擴(kuò)展和貫通的反翼型裂紋破壞轉(zhuǎn)變。分析原因：對比完整巖樣，不同裂隙數(shù)量巖樣裂隙尖端更易產(chǎn)生翼型裂紋和反翼型裂紋，裂紋在巖橋內(nèi)聯(lián)結(jié)貫通，端部反翼型裂紋不斷發(fā)育、擴(kuò)展，巖樣發(fā)生破壞。

2.4.4 不同裂隙傾角巖體破壞模式

不同裂隙傾角巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展如圖7。由圖7 可知：不同裂隙傾角巖樣在變形破壞過程中，除了出現(xiàn)翼型裂紋和反翼型裂紋，巖樣破壞均有次生裂紋的產(chǎn)生；當(dāng)傾角β≤45°時(shí)，在軸向加載下預(yù)制裂隙尖端主控因素為拉應(yīng)力，尖端發(fā)生破壞后形成沿預(yù)制裂隙傾斜方向的裂紋逐漸擴(kuò)展，形成翼型裂紋；當(dāng)45°＜β＜90°時(shí)，預(yù)制裂隙尖端主控因素為壓應(yīng)力，尖端破壞后形成沿預(yù)制裂隙傾斜相反方向的裂紋擴(kuò)展形成反翼型裂紋；裂隙傾角為90°時(shí)，巖樣破壞形態(tài)受預(yù)制裂隙影響較小，破壞形態(tài)表現(xiàn)為明顯的拉伸破壞。

圖7 不同裂隙傾角巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴(kuò)展Fig.7 Failure modes and crack propagation of rock samples with differen angles

3 巖樣裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律

裂紋擴(kuò)展規(guī)律分析按層次遞進(jìn)分析，第1 層巖樣破壞形態(tài)，第2 層巖樣應(yīng)變云圖，第3 層為巖樣應(yīng)變3D 云圖。便于分析，黑色線條表示預(yù)置裂隙，紅色線條表示不同剪切裂紋、拉伸裂紋、翼裂紋、反翼裂紋及巖樣剝落等。

3.1 完整巖樣

完整巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖如圖8。

圖8 完整巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖Fig.8 Cloud diagrams of crack propagation and strain of intact rock samples

由圖8 可知：巖樣加載初期不受荷載作用，表面應(yīng)變?yōu)?；待巖樣進(jìn)入壓密段后，內(nèi)部微裂隙受到荷載作用，使得原生裂紋被壓密，紫色壓應(yīng)變區(qū)域表現(xiàn)出大致平行于加載方向的條帶狀，應(yīng)變量明顯增加，裂紋端部局部拉伸，且有相互貫通的趨勢；巖樣最終發(fā)生破壞、脫落，表現(xiàn)為明顯的張拉破壞。

3.2 20 mm 裂隙巖樣

20 mm 裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖如圖9。

圖9 20 mm 裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖Fig.9 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 20 mm fracture rock samples

由圖9 可知：原有裂紋上下尖端產(chǎn)生紅色拉伸應(yīng)變區(qū)，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生發(fā)絲狀反翼型裂紋；隨著巖樣壓應(yīng)力的不斷增大，巖樣上下端靠近加載接觸面部位應(yīng)變量明顯增加，巖樣內(nèi)部離預(yù)制裂隙較遠(yuǎn)的位置開始出現(xiàn)剪切型裂紋，對應(yīng)云圖中左上角位置和右下角位置，該裂紋迅速向著臨近的裂隙尖端和端面擴(kuò)展；最終裂紋經(jīng)歷萌生、起裂、擴(kuò)展、衍生及貫通階段，反翼型裂紋逐漸明顯。

3.3 45°裂隙巖樣

45°裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖如圖10。

圖10 45°裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展及應(yīng)變云圖Fig.10 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 45° fracture rock samples

由圖10 可知，巖樣在加載初期，上下兩端部逐漸出現(xiàn)裂紋并向預(yù)制裂隙處延伸；隨著軸向荷載的不斷增大，巖樣端部應(yīng)變量增加并產(chǎn)生局部拉伸，形成2 條翼型裂紋和1 條反翼型裂紋；翼型裂紋發(fā)育擴(kuò)展最終與預(yù)制裂隙匯合貫通，巖樣發(fā)生剪切破壞。

4 巖樣細(xì)觀特性

4.1 孔隙度與裂隙特征及抗壓強(qiáng)度關(guān)系

NMR 孔隙度表征巖體壓縮破壞特性如圖11。

圖11 NMR 孔隙度表征巖體壓縮破壞特性Fig.11 NMR porosity characterization of rock mass compression failure characteristics

由圖11 可知：30 mm 裂隙巖樣試驗(yàn)后孔隙度明顯增加，但對應(yīng)的巖樣強(qiáng)度最低，說明預(yù)制裂隙和荷載的作用加劇了巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的改變質(zhì)，進(jìn)而影響巖體力學(xué)性能；荷載作用下巖樣孔隙度值變大，對應(yīng)其抗壓強(qiáng)度值越低，兩者呈線性關(guān)系。對比完整巖樣和不同裂隙長度巖樣試驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度的變化，由25.23 MPa 減少到3.88 MPa，變化幅度較大，說明裂隙長度越長，巖樣裂紋擴(kuò)展速度越快；而不同裂隙貫穿度、傾角巖樣孔隙度和抗壓強(qiáng)度變化幅度不大，即孔隙度對抗壓強(qiáng)度敏感性不強(qiáng)。

4.2 譜面積與裂隙特征及抗壓強(qiáng)度關(guān)系

NMR 譜面積表征巖體壓縮破壞特性如圖12。

圖12 NMR 譜面積表征巖體壓縮破壞特性Fig.12 NMR spectrum area characterizes the compression failure characteristics of rock mass

由圖12 可知：完整及裂隙巖樣試驗(yàn)前后譜面積有明顯的增加，說明巖樣微裂隙、微孔隙及預(yù)制裂隙的存在導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的劣化；對比完整及裂隙巖樣試驗(yàn)前后NMR 譜面積，以不同裂隙長度巖樣為例，譜面積變化范圍由8 347.21～9 873.97，對應(yīng)巖樣強(qiáng)度下降幅度達(dá)84.62%，表明NMR 譜面積能反映巖樣的抗壓強(qiáng)度，即譜面積越大，巖樣抗壓強(qiáng)度越低。

綜上分析，巖樣NMR 孔隙度與譜面積成正比，且均與巖樣抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，即巖樣孔隙度、譜面積越大，對應(yīng)抗壓強(qiáng)度越小。研究巖體內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)可以對實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

1）裂隙巖樣比完整巖樣具有更高的孔隙率，從而影響巖體的基本力學(xué)特性，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度劣化。裂隙巖樣的波速整體低于完整巖樣，且聲波速度隨裂隙長度、貫穿度及數(shù)量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，隨裂隙傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

2）完整及裂隙巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為裂隙初始壓密、彈性變形、塑性變形以及應(yīng)變軟化4 個(gè)典型階段。巖樣在達(dá)到峰值應(yīng)力后強(qiáng)度迅速衰減，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。30 mm 裂隙巖樣峰值應(yīng)力最低，90°裂隙巖樣強(qiáng)度最高，接近完整巖樣。

3）完整巖樣主要表現(xiàn)為張拉破壞；不同裂隙長度、數(shù)量巖樣表現(xiàn)為剪切破壞，其中3 條裂隙巖樣遠(yuǎn)場伴隨有拉伸裂紋；25%和50%裂隙巖樣以張拉為主、剪切為輔的破壞形態(tài)，75%和100%裂隙巖樣則以剪切為主、拉伸為輔的破壞形態(tài)；0°和90°裂隙巖樣發(fā)生張拉破壞，而30°、45°和60°裂隙巖樣則發(fā)生剪切破壞。

4）完整及裂隙巖樣孔隙度和譜面積受荷后均有大幅增加，表明荷載作用能夠改變巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其宏觀力學(xué)特性。完整巖樣孔隙結(jié)構(gòu)以微小孔隙為主，裂隙巖樣則主要以中大孔隙和預(yù)制裂隙為主，受荷后巖樣微小孔隙比重降低，大中孔隙和預(yù)制裂隙比重增大，表明預(yù)制裂隙對巖樣造成的初始損傷能影響巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)。