預(yù)制交叉裂隙花崗巖強(qiáng)度特征試驗(yàn)

周 游 武 旭 郭奇峰 顏丙乾

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京市市政工程研究院，北京 100037）

巖體是自然界中的一種復(fù)雜的地質(zhì)體［1］。其形成會(huì)因地質(zhì)構(gòu)造、大氣風(fēng)化等作用，而在內(nèi)部產(chǎn)生節(jié)理、層理、裂紋等眾多缺陷，這些缺陷會(huì)對巖石材料的強(qiáng)度與破壞產(chǎn)生重要的影響。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來工程規(guī)模逐漸增大，裂隙對巖土工程所造成的影響也愈發(fā)被重視。

由于在天然巖石內(nèi)部預(yù)制裂隙比較困難，現(xiàn)有的研究以利用水泥砂漿［2-4］、石膏［5-6］等材料制備類巖石試件進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)的研究居多。此外，利用數(shù)值模擬軟件對含裂隙巖體進(jìn)行的研究［7-10］也較多。相似模擬試驗(yàn)具有試件簡單易制備，便于觀察裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)值模擬試驗(yàn)相較于室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)具有效率高、費(fèi)用低、參數(shù)控制方便、條件控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。但以上2種試驗(yàn)手段均難以模擬出天然巖石的脆性、非均質(zhì)特性等特點(diǎn)，因此得出的強(qiáng)度尤其是破裂特征的結(jié)論難免不夠可靠。

近年來，研究者在天然巖石中預(yù)制不同數(shù)量與分布形態(tài)的裂隙，對其強(qiáng)度與破裂特征已經(jīng)有了一定的研究［11-13］。但目前對工程中常見的交叉裂隙巖石開展的研究仍局限于相似模擬［3-5］與數(shù)值模擬［8］，缺少天然巖石試驗(yàn)研究。工程中常見的Ⅳ級結(jié)構(gòu)面以交錯(cuò)裂隙居多，影響巖體完整性和物理力學(xué)性質(zhì)［14］，對工程穩(wěn)定性與施工人員安全造成嚴(yán)重威脅，故開展交叉裂隙巖石的強(qiáng)度與破裂特征研究便顯得尤為重要。

本項(xiàng)目以天然花崗巖為研究對象，規(guī)避了相似材料試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究的不準(zhǔn)確性，使用高壓水刀與金屬線切割設(shè)備在花崗巖試件內(nèi)部預(yù)制不同角度組合的主次裂隙，通過單軸壓縮試驗(yàn)，探究交叉裂隙花崗巖的強(qiáng)度特征，以期對礦山井下工程的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性維護(hù)產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 裂隙設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取的巖樣為細(xì)粒花崗巖，礦物成分主要為石英、長石、云母等。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）推薦的試件制備標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)場取得的巖石進(jìn)行切割，加工制備成直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。設(shè)計(jì)花崗巖試件的預(yù)制裂隙為貫穿試件厚度的裂隙，主裂隙長度20 mm，次裂隙長度15 mm，裂隙寬度均為0.3 mm。將不同工況的試件編號為AA-BB，其中AA為主裂隙與加載方向的夾角，BB為主次裂隙之間的夾角，如圖1所示。

為了分析交叉裂隙中裂隙長度、傾角、夾角對巖石強(qiáng)度的作用關(guān)系和影響程度，共設(shè)計(jì)了25種試驗(yàn)工況。裂隙貫穿試件中心，主裂隙長度20 mm，角度AA分別為0°、30°、45°、60°、90°（順時(shí)針方向），次裂隙長度為15 mm，與主裂隙的夾角BB分別為0°、30°、45°、60°、90°，裂隙寬度均為0.3 mm。

1.2 試件制備

為保證試驗(yàn)精度，使用高壓水刀鉆出中心圓孔，直徑約2 mm。文獻(xiàn)［15］對含2 mm中心圓孔的花崗巖試件與完整花崗巖試件設(shè)置對照組試驗(yàn)進(jìn)行單軸壓縮，對獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)2種試件在強(qiáng)度上沒有產(chǎn)生明顯差別，故認(rèn)為2 mm的中心圓孔對巖石單軸抗壓強(qiáng)度沒有本質(zhì)影響。在制作完成中心圓孔后，采用金屬線切割機(jī)床加工裂隙，保證裂隙角度與寬度精確。圖2所示為加工制備好的25種工況花崗巖試件。

2 交叉裂隙對巖石強(qiáng)度的影響

采用北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院的GAW-2000型電液伺服剛性壓力機(jī)對試件進(jìn)行單軸壓縮，持續(xù)加載直至試件破壞，采用位移控制的方式，加載速率為0.03 mm/min，將數(shù)據(jù)采樣的間隔時(shí)間設(shè)置為0.5 s。

開啟壓力機(jī)，將試件放置于金屬墊板上，按軸向位移加載直至試件破壞，試件在加載過程中的軸向應(yīng)變及所受載荷由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，同時(shí)使用美國物理聲學(xué)公司PAC所生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射信號的采集。通過聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測花崗巖試件起裂至破壞全過程的破裂信號，結(jié)合采集到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線綜合分析，準(zhǔn)確定位花崗巖試件的起裂應(yīng)力與峰值應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)。

2.1 含交叉裂隙試件的峰值強(qiáng)度分析

對完整試件及25種工況試件進(jìn)行單軸壓縮，圖3為25種工況試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，表1為全工況試件的力學(xué)參數(shù)具體數(shù)值。圖3、表1中試件工況如00-60表示AA為0°、BB為60°，其他類推。

根據(jù)表1、圖3可得，不同工況下，花崗巖試件的峰值強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變相差較大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線也有很大的差異，說明巖石中裂隙的角度對其強(qiáng)度特征具有很大的影響。圖4為25種工況下交叉裂隙試件的峰值強(qiáng)度橫向?qū)Ρ葓D。

如圖4所示，當(dāng)AA為0°與30°時(shí)，試件的峰值強(qiáng)度普遍高于其他組試件。AA為0°時(shí)，00-00（主次裂隙重合）試件的峰值強(qiáng)度最大，隨次裂隙傾角增加，巖石強(qiáng)度先降低后增加。當(dāng)主次裂隙正交時(shí)，強(qiáng)度最低，為47.91 MPa，僅為完整試件強(qiáng)度的20%。

如圖4所示，AA為30°時(shí)，試件的峰值強(qiáng)度均較高，與30-00試件相比，交叉裂隙試件的強(qiáng)度均低于單裂隙試件，次裂隙的存在增大了巖石的損傷程度，使其更容易破壞。AA為45°時(shí)，試件的強(qiáng)度較低，且波動(dòng)較大，隨次裂隙角度的增加而先增后減再增，45-45試件強(qiáng)度最低，推測是由于垂直于加載方向的次裂隙起到了主控作用。

AA為60°時(shí)，試件的平均強(qiáng)度為41.53 MPa，僅為完整試件強(qiáng)度的18.1%，是強(qiáng)度最低的一組試件。當(dāng)BB為60°時(shí)，試件強(qiáng)度為25.23 MPa，僅為完整試件的11.01%。AA為90°時(shí)，試件的強(qiáng)度普遍較低。本組試件主裂隙與加載方向垂直，隨著次裂隙角度的變化，巖石峰值強(qiáng)度變化幅度僅為13 MPa，波動(dòng)最小。裂隙幾何形態(tài)相近的00-90試件與90-90試件相比，峰值強(qiáng)度為47.91 MPa和41.04 MPa，可見當(dāng)交叉裂隙中存在一條水平裂隙時(shí)，無關(guān)是否為主裂隙，試件的強(qiáng)度均較低，其破壞主要受該水平裂隙控制。

圖5為AA=0°的試件與單裂隙試件的強(qiáng)度比較圖，單裂隙試件指BB為0°的試件，圖中橫軸的“角度/（°）”指AA為0°試件的BB與單裂隙試件的AA。可看出，主裂隙為0°時(shí)，試件的強(qiáng)度變化與單裂隙試件強(qiáng)度變化規(guī)律接近，均隨裂隙與垂直方向夾角增加而呈降低趨勢。由此可判斷AA為0°時(shí)，交叉裂隙中的主裂隙對試件強(qiáng)度的影響非常小，此時(shí)可將交叉裂隙試件簡化為僅有次裂隙存在的試件。單裂隙試件裂隙更長，對試件的強(qiáng)度削弱更大，故單裂隙試件強(qiáng)度略低于AA為0°的試件。

將AA相同的試件編為一組，計(jì)算其平均強(qiáng)度。圖6為單裂隙試件與AA相同的一組試件平均強(qiáng)度的比較，可看出，單裂隙試件強(qiáng)度與AA相同的試件平均強(qiáng)度變化規(guī)律大體相同，隨AA增大而呈降低趨勢。AA為0°時(shí)，同組試件平均強(qiáng)度顯著低于單裂隙試件，次裂隙的存在對巖石的削弱作用較大。AA為30°～90°時(shí)，雖然BB變化一定程度上會(huì)影響巖石試件的強(qiáng)度而產(chǎn)生波動(dòng)，但從同組試件平均強(qiáng)度上看，其引起的變化很小。

2.2 含交叉裂隙試件的起裂強(qiáng)度分析

巖石內(nèi)部存在著大量細(xì)觀缺陷，在應(yīng)力集中作用下容易產(chǎn)生微裂紋，其萌生和起裂可看作是巖石漸進(jìn)破壞過程的起點(diǎn)［16］。微裂紋的存在使裂紋尖端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖石極易產(chǎn)生進(jìn)一步的破壞。探究巖石的起裂強(qiáng)度有助于工程中預(yù)防巖石起裂及起裂后的進(jìn)一步破壞。

本試驗(yàn)使用聲發(fā)射法確定巖石起裂強(qiáng)度，采用聲發(fā)射設(shè)備同步記錄裂紋起裂信號，確定起裂時(shí)刻，根據(jù)應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系對應(yīng)到相應(yīng)的軸向應(yīng)力值，即為試件的起裂應(yīng)力值。在微裂隙壓密和線彈性階段，振鈴計(jì)數(shù)約為零，基本無聲發(fā)射事件產(chǎn)生。巖體在受力過程中，隨著新生裂紋的萌生，局部應(yīng)變能迅速釋放，形成聲發(fā)射信號，因此可根據(jù)巖體受壓過程中不同階段聲發(fā)射撞擊率隨時(shí)間的變化，判定起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力特征值，所以振鈴次數(shù)的突增點(diǎn)可被視作巖石中裂隙的起裂時(shí)刻。

由圖7得到，約550 s時(shí)聲發(fā)射振鈴次數(shù)激增，為試件的起裂時(shí)間，對應(yīng)到應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系中，起裂強(qiáng)度為87.01 MPa。約1 000 s時(shí)，振鈴次數(shù)歸零，結(jié)合圖3（a）中對應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可發(fā)現(xiàn)，達(dá)到峰值應(yīng)力后，試件直接產(chǎn)生破壞，沒有產(chǎn)生峰后破壞，其破壞時(shí)間與應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系中的破壞時(shí)間也可對應(yīng)上。因篇幅所限，不再列出所有聲發(fā)射—時(shí)間關(guān)系圖，將所有工況試件的起裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總于表2。

為探究起裂強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度之間的關(guān)系，將AA相同的試件編為一組，作出隨BB變化，峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度之間的變化關(guān)系對比見圖8?？煽闯?，當(dāng)AA相同時(shí)，隨BB的變化，峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度的變化波動(dòng)規(guī)律大致相同，成正相關(guān)關(guān)系。AA為0°時(shí)，主裂隙與加載方向平行，對試件的破壞起到的作用很小，起裂強(qiáng)度隨BB變化而持續(xù)降低。AA為30°時(shí)，起裂強(qiáng)度相對平穩(wěn)，波動(dòng)很小。AA為45°時(shí)，起裂強(qiáng)度同峰值強(qiáng)度一樣，波動(dòng)比較大，45-45試件的起裂強(qiáng)度最小。AA為60°時(shí)，起裂強(qiáng)度波動(dòng)較大，同峰值強(qiáng)度一致，60-60試件的平均起裂強(qiáng)度為所有工況中最小。AA為90°時(shí)，起裂強(qiáng)度相較峰值強(qiáng)度波動(dòng)更大，起裂強(qiáng)度最小的試件也與峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的不同，但兩者整體波動(dòng)規(guī)律接近。

圖9為單裂隙試件與AA相同的一組試件平均起裂強(qiáng)度的比較，可看出，單裂隙試件起裂強(qiáng)度與AA相同的試件平均起裂強(qiáng)度變化規(guī)律大體相同，為隨AA增大而降低。除AA為0°時(shí)，單裂隙試件的起裂強(qiáng)度與AA相同組試件平均值均較接近，可看出，次裂隙的存在對巖石起裂應(yīng)力的影響很小。

3 結(jié)論

（1）主裂隙平行于加載方向時(shí)，試件的峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度普遍較大且均隨裂隙角度增加而呈降低趨勢，交叉裂隙中的主裂隙對試件強(qiáng)度的影響非常小，試件的破壞主要受次裂隙控制，可將交叉裂隙試件簡化為僅有次裂隙存在的單裂隙試件。

（2）主裂隙不平行于加載方向時(shí)，試件的峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度相對較低。雖然次裂隙的角度變化一定程度上會(huì)使巖石試件的強(qiáng)度產(chǎn)生波動(dòng)，但從同組試件平均強(qiáng)度上看，其引起的變化很小。

（3）主裂隙相同時(shí)，隨次裂隙角度的變化，峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度的變化波動(dòng)規(guī)律大致相同，成正相關(guān)關(guān)系。

（4）主裂隙相同組試件平均的峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度均隨裂隙角度增加呈降低趨勢，同單裂隙試件相對應(yīng)的峰值強(qiáng)度與起裂強(qiáng)度相接近。