單軸壓縮狀態(tài)下類巖石材料水力劈裂試驗(yàn)

徐力群陶韻成劉得潭旦增赤列

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.西藏自治區(qū)江孜縣水利隊(duì),西藏日喀則 857400)

水力劈裂是高水頭作用驅(qū)動(dòng)下,巖體或土體內(nèi)裂紋產(chǎn)生、發(fā)展、貫通等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱,巖體水力劈裂是巖體滲流-應(yīng)力耦合研究的一個(gè)重要分支[1],廣泛應(yīng)用于石油開采、水利工程建設(shè)、核廢料地下處理、地應(yīng)力測(cè)量等工程中。由于巖體水力劈裂而造成的工程事故發(fā)生過多起[2鄄7],大壩、邊坡、礦井等工程中的巖體水力劈裂問題是一個(gè)亟待解決的難題。目前,水力劈裂研究多集中在油氣井開采與地應(yīng)力測(cè)量方面,即研究巖體在高滲壓水力劈裂作用下結(jié)構(gòu)改變對(duì)裂隙滲流的影響[8鄄10],偏向于流體力學(xué)(流場(chǎng))方面;而偏向固體力學(xué)(力場(chǎng))方面,應(yīng)用斷裂損傷相關(guān)理論,對(duì)水力劈裂作用下巖體本身的變形規(guī)律、破壞機(jī)理、承載能力等力學(xué)性能的研究還有待進(jìn)一步深入。

水力劈裂研究最常使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袃煞N:淤圓筒模型,即使用中心鉆孔的圓柱形樣品,將水靜態(tài)加載注入鉆孔直到樣品劈裂破壞。巖體水力劈裂試驗(yàn)大多數(shù)采用圓筒模型[11鄄14]。圓筒模型內(nèi)孔受內(nèi)水壓力后試樣會(huì)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力,且?guī)r體的應(yīng)力狀態(tài)是球?qū)ΨQ或軸對(duì)稱的,而實(shí)際工程巖體各向應(yīng)力狀態(tài)往往是不同的,故不能很好地模擬工程實(shí)際情況。于立方體模型,即利用立方體或長(zhǎng)方體樣品,在3個(gè)方向上獨(dú)立加載,以模擬更類似于工程實(shí)際的三軸應(yīng)力場(chǎng)[15鄄19]。 李宗利等[20鄄21]對(duì)斜角度單裂縫巖石立方體模型的水力劈裂與臨界水壓力做了較為詳細(xì)的理論分析和計(jì)算。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石和類巖石材料的劈裂性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究[22鄄26],但對(duì)于巖石水力劈裂試驗(yàn),仍未總結(jié)出試樣材料、試樣強(qiáng)度和荷載等因素與劈裂歷時(shí)之間的關(guān)系?；诓捎昧⒎襟w模型的研究大多針對(duì)巖體在圍壓狀態(tài)下的劈裂特性,而對(duì)于單軸壓縮狀態(tài)下的巖體水力劈裂研究較少。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)往往可以視為多種單一應(yīng)力狀態(tài)的疊加,故開展單一應(yīng)力狀態(tài)下的水力劈裂研究具有重要意義。

本文針對(duì)不同方向的單軸壓縮與裂縫作用開展水力劈裂作用試驗(yàn)研究,采用帶有預(yù)制裂縫的正方體或長(zhǎng)方體試樣,進(jìn)行模擬水 巖耦合作用荷載試驗(yàn),以探討試樣強(qiáng)度、荷載大小、加載方式等因素與劈裂臨界水壓力和劈裂歷時(shí)之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用河海大學(xué)與溧陽市永昌工程實(shí)驗(yàn)儀器有限公司聯(lián)合研制的大型三場(chǎng)耦合三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)由電動(dòng)壓力泵、壓力水箱、轉(zhuǎn)換閥門、耐高壓彎管等部分組成,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集。水壓密封裝置采用自主設(shè)計(jì)研制的工字形水壓密封架,采用延展性不同的兩層橡膠墊進(jìn)行雙層密封,水密封效果良好。使用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)力,動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

1.2 試樣制備

由于采集性質(zhì)相同、形狀規(guī)則、大小固定的天然巖石難度較高,且?guī)r石試樣取出后性質(zhì)受擾,與在地層中性質(zhì)差別較大,故采用水泥砂漿制作試樣,作為巖石的相似材料進(jìn)行試驗(yàn)。作為對(duì)比試驗(yàn),在同一時(shí)期澆筑了3批不同強(qiáng)度的試樣,以相同條件養(yǎng)護(hù),強(qiáng)度等級(jí)分別記為 M7郾5、M10、M15,配合比見表1。

表1 水泥砂漿試樣配合比

試驗(yàn)用水泥為南京市龍?zhí)舵?zhèn)中國(guó)水泥廠有限公司生產(chǎn)的海螺牌P.C 32郾5R與P.C 42郾5R復(fù)合硅酸鹽水泥;砂子采用細(xì)砂,為最大粒徑小于0郾35 mm的河砂;水取民用自來水。

類巖石材料尺寸效應(yīng)與其長(zhǎng)徑比有關(guān),但巖石長(zhǎng)度對(duì)峰值應(yīng)力前的變形特性沒有顯著影響[27],因此試樣的尺寸效應(yīng)并不明顯。每種強(qiáng)度的試樣分別通過不同模具澆筑成玉、域、芋 3類,玉、域類試樣如圖1所示,試樣中的預(yù)制裂縫均通過在模具正面中心位置的預(yù)制裂縫孔中埋入一端為刀刃狀的鋼片預(yù)制而成,待試樣達(dá)到初凝時(shí)間后拔出鋼片,形成一側(cè)為尖端的貫穿預(yù)制裂縫,裂縫長(zhǎng)50 mm,寬2 mm。芋類試樣為邊長(zhǎng)70郾7 mm的實(shí)心立方體,用于測(cè)定試樣的抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度[28]。

圖1 玉、域類試樣結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

1.3 數(shù)據(jù)采集

預(yù)制裂縫內(nèi)水壓力由電壓力泵施加,可自定義加壓速度與數(shù)據(jù)讀取間隔時(shí)間。試樣表面應(yīng)變采用應(yīng)變片與表面式應(yīng)變計(jì)測(cè)量,連接信號(hào)采集儀記錄。應(yīng)變片粘貼好后均勻涂抹一層環(huán)氧樹脂膠,起絕緣與提高密封性作用。軸向壓力通過萬能試驗(yàn)機(jī)預(yù)設(shè)和加載,通過設(shè)定壓力大小,根據(jù)試樣受壓面積可換算為試樣所受軸向壓力。

2 試驗(yàn)方案

對(duì)芋類試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試,取平均值作為各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)試樣的抗壓及劈拉強(qiáng)度。試驗(yàn)步驟為:淤密封裝置安裝完畢后,連接應(yīng)變片,粘貼表面式應(yīng)變計(jì);于將試樣置于萬能試驗(yàn)機(jī)加載臺(tái),施加壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值后,充水排出裂縫內(nèi)空氣,擰緊密封螺帽;盂對(duì)試樣進(jìn)行內(nèi)水壓力加載,保持各組試驗(yàn)內(nèi)水壓力加載速度相同,每隔1 s記錄1次內(nèi)水壓力值,直至試樣劈裂破壞后停止試驗(yàn)。

為了研究試樣在不同軸向壓力作用下破壞時(shí)的臨界水壓力與破壞形式,不考慮圍壓,采用相同尺寸、不同強(qiáng)度的試樣進(jìn)行3組對(duì)比試驗(yàn):淤A組采用玉類試樣,無軸向壓力作用;于B組采用玉類試樣,軸向壓力方向與裂縫走向平行;盂C組采用域類試樣,軸向壓力方向與裂縫走向垂直。各組試驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中當(dāng)內(nèi)水壓力上升到破壞的臨界值時(shí),劈裂面突然有大量水滲出,并伴隨有沉悶破裂聲,隨后內(nèi)水壓力快速下降到接近于零,此現(xiàn)象即表明試樣發(fā)生水力劈裂破壞,產(chǎn)生整體貫穿或局部貫穿的裂縫,形成劈裂面或貫通的滲水通道。如試樣A鄄2鄄1試驗(yàn)時(shí),內(nèi)水壓力由1 008 s時(shí)的1郾635 MPa驟降至1009 s的0郾29 MPa,可推斷試樣在1008~1 009 s時(shí)間段發(fā)生了水力劈裂,該試樣發(fā)生水力劈裂破壞時(shí)的臨界水壓力值為1郾635 MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3組試驗(yàn)共12個(gè)試樣的水力劈裂對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水力劈裂試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 試樣劈裂破壞與試樣強(qiáng)度關(guān)系

采用斷裂力學(xué)方法對(duì)單裂縫巖體結(jié)構(gòu)水力劈裂試驗(yàn)的臨界劈裂水壓進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子理論,軸向壓力作用下水力劈裂破壞屬于I型裂紋劈裂(張開型裂紋劈裂),Irwin提出的裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件[29鄄30]為

式中:KI為張開型裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子,MN/m3/2;KIc為試樣的斷裂韌度,MN/m3/2。

可將試樣簡(jiǎn)化為含中心裂縫的有限矩形板,其試樣受力情況如圖3所示。

圖3 試樣受力示意圖

3.2.1 無外部軸向壓力作用(A組試樣)

A組試樣裂縫表面受均布內(nèi)水壓力P,軸向壓力滓1=滓3=0,子xy=0,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI計(jì)算公式為

式中:a為半裂縫長(zhǎng),m;F1為與裂縫長(zhǎng)度和試樣尺寸相關(guān)的常數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[31]含中心裂縫矩形板問題應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法,求得F1=1郾158。

A組試樣水力劈裂破壞屬于純I型斷裂破壞,聯(lián)立式(1)與式(2)可得出A組3種不同強(qiáng)度試樣斷裂韌度KIc。采用文獻(xiàn)[32]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,依據(jù)類巖石材料抗壓強(qiáng)度與斷裂韌度呈線性相關(guān)關(guān)系的規(guī)律[33],將A組試樣與文獻(xiàn)[32]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)KIc和fc線性擬合,結(jié)果如圖4所示。

圖4 玉型斷裂韌度隨抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系

徐世烺[34]采用體積、跨度、厚度和高度四系列的三點(diǎn)彎曲梁試件研究了混凝土斷裂韌度的尺寸效應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試件高度是影響混凝土斷裂韌度的主要因素。由于水泥砂漿試樣的失穩(wěn)韌度隨著試樣高度的增大而表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),相同強(qiáng)度的試樣,高度每增大10 mm,失穩(wěn)韌度約降低2郾8%[32]。A組試樣(高150 mm)與文獻(xiàn)[32]高度40 mm試樣的擬合曲線相比,高度相差110 mm,斷裂韌度降低35郾3%,符合文獻(xiàn)[32]所述規(guī)律。

文獻(xiàn)[32]試驗(yàn)試樣采用粗砂,最大粒徑為1郾2 mm,A組試樣采用細(xì)砂,最大粒徑為0郾35 mm,故A組試樣抗壓強(qiáng)度較小。范飛飛等[35]的研究結(jié)果表明,對(duì)于配合比、尺寸、養(yǎng)護(hù)等條件均相同的試樣,采用細(xì)砂與粗砂制備的水泥砂漿試樣抗壓強(qiáng)度相差在3~4郾3倍之間。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)M7郾5、M10和M15的A組試樣,抗壓強(qiáng)度分別為文獻(xiàn)[32]高度40 mm 試樣的4郾07 倍、4郾28 倍和4郾01 倍,在 3~4郾3倍之間,且離散性較小,可見A組試樣抗壓強(qiáng)度符合文獻(xiàn)[35]所述規(guī)律,試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

3.2.2 軸向壓力方向與裂縫走向平行(B組試樣)

B組試樣受軸向壓力,滓1=0且滓3屹0,子xy=0,由應(yīng)力狀態(tài)分析可知裂縫表面上的正應(yīng)力滓a為均布內(nèi)水壓力P,剪應(yīng)力子a=0,根據(jù)經(jīng)典斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)也屬于I型裂紋劈裂,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI計(jì)算公式為

即與裂縫走向平行的軸向壓力滓3與裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子無關(guān),按式(3)計(jì)算,與A組試樣情況受力相同,破壞時(shí)臨界水壓力Pc應(yīng)相等。然而試驗(yàn)結(jié)果表明,軸向壓力的存在使臨界水壓力Pc降低,且試樣的破壞速度加快,說明應(yīng)力強(qiáng)度因子理論在這種特殊情況下并不能很好地反映真實(shí)情況。此外當(dāng)加載的軸向壓力滓3僅為0郾2 MPa時(shí),B組的臨界水壓力Pc較A組降低的數(shù)值遠(yuǎn)大于法向變形引起的分力,砂漿強(qiáng)度越小,軸向壓力對(duì)破壞的促進(jìn)作用越明顯。根據(jù)表3中A組與B組臨界水壓力數(shù)據(jù),對(duì)比3種強(qiáng)度的試樣,發(fā)現(xiàn)B組試樣的臨界水壓力較A 組試樣分別下降了24郾56%、20郾49%和10郾66%。

類巖石材料單軸壓縮產(chǎn)生的裂縫走向近乎軸向,與此類似,預(yù)制裂縫位置也會(huì)受到垂直于軸向壓力方向的拉應(yīng)力,并在裂縫端部產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)軸向壓力滓3的方向與預(yù)制裂縫走向一致時(shí),軸向壓力滓3必定對(duì)水力劈裂起促進(jìn)作用。

根據(jù)Griffith理論,試樣中總是存在一些微小裂隙或空腔,當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí),這些裂隙和空腔就開始擴(kuò)展,越靠近端部受應(yīng)力集中的作用越大,越易發(fā)展,最終沿軸向開裂。在B組試驗(yàn)中,軸向

壓力較小,不足以使試樣的裂隙空腔擴(kuò)展開裂,但由于存在對(duì)稱軸向壓力,試樣可以近似地看作一個(gè)軸向受壓的梁或桿,當(dāng)裂縫內(nèi)水壓力逐漸增大時(shí),相當(dāng)于受到一個(gè)與軸向壓力垂直的作用力,導(dǎo)致受壓試樣失穩(wěn),又由于縫尖水壓力作用和預(yù)制裂縫尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象,加劇了裂縫的開裂擴(kuò)展。

3.2.3 軸向壓力方向與裂縫走向垂直(C組試樣)C組試樣裂縫表面受均布內(nèi)水壓力P,軸向壓力滓1屹0且滓3=0,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI計(jì)算公式為

式中F2為與裂縫長(zhǎng)度和試樣尺寸相關(guān)的常數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[2]含中心裂縫矩形板問題應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法,可求得F1=1郾055,F2=1郾143。

根據(jù)表2中劈裂臨界水壓力Pc數(shù)據(jù),采用式(2)和式(4)可分別計(jì)算得A、C組3種強(qiáng)度試樣的強(qiáng)度因子分別為 0郾499 MN/m3/2、0郾526 MN/m3/2、0郾630 MN/m3/2和 0郾531 MN/m3/2、0郾554 MN/m3/2、0郾673MN/m3/2,可見兩式應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果接近,相對(duì)誤差在6%左右,說明對(duì)于強(qiáng)度較小的類巖石材料,受力方式和試樣尺寸不同時(shí),依舊可將單裂縫水力劈裂試樣簡(jiǎn)化為中心含裂縫的有限矩形板來計(jì)算。

3.3 水力劈裂臨界水壓力與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系

將各組試樣劈拉強(qiáng)度ft和水力劈裂臨界水壓力Pc進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖5所示。試樣劈拉強(qiáng)度越大,則使試樣破壞需要的內(nèi)水壓力越大,故臨界水壓力Pc隨試樣劈拉強(qiáng)度增大而增大。對(duì)于同組試樣,臨界水壓力Pc服從PcM15>PcM10>PcM7郾5的規(guī)律。對(duì)于同強(qiáng)度試樣,B組試樣預(yù)制裂縫走向與軸向壓力滓3方向平行,在此單向壓力作用下會(huì)使裂縫尖端承受額外的拉應(yīng)力,更易擴(kuò)展和失穩(wěn),因此B組試樣劈裂破壞時(shí)的臨界水壓力更低。C組試驗(yàn)施加的軸向壓力與均布內(nèi)水壓力反向,有抑制裂縫張開的作用,與A組同強(qiáng)度試樣相比較,C組試樣破壞需要更大的內(nèi)水壓力,故臨界水壓力更高。對(duì)于不同組的同強(qiáng)度試樣,臨界水壓力Pc服從PcC>PcA>PcB的規(guī)律。

圖5 各組試樣水力劈裂臨界水壓力與劈拉強(qiáng)度關(guān)系

3.4 試樣劈裂破壞現(xiàn)象分析

水力劈裂試驗(yàn)分為無拉壓應(yīng)力(A組)和單軸受壓(B、C組)兩種應(yīng)力環(huán)境,試樣在不同條件下產(chǎn)生破壞后,拆卸水密封裝置觀察,發(fā)現(xiàn)各組試樣的破壞形態(tài)基本一致(圖6),但也存在細(xì)微差別。

圖6 試樣水力劈裂破壞形態(tài)

由于起裂角度方向可判定裂縫可能的發(fā)展方向,對(duì)其規(guī)律的研究可為巖體加固提供必要的理論支撐。試驗(yàn)結(jié)果表明,各組試樣裂縫均從尖端處開始擴(kuò)展,劈裂面與預(yù)制裂縫面大致處于同一平面上,可判斷各組均發(fā)生水力劈裂破壞。各組試樣劈裂面與預(yù)制裂縫面基本重合,裂縫尖端起裂角度茲由大到小排列順序?yàn)槠滳>茲A>茲B。 A、B組試樣發(fā)生水力劈裂破壞時(shí)有明顯破裂聲響,伴隨大量水迅速涌出,試樣被劈為兩半,劈裂面無殘余結(jié)合力;而C組試樣發(fā)生劈裂時(shí),可觀察到表面有連貫裂縫,有水從裂縫中涌出,但大部分試樣并未徹底裂成兩半,劈裂面殘存少許結(jié)合力。

3組試驗(yàn)裂縫方位均對(duì)稱,荷載均對(duì)稱,試樣不受剪切作用,屬于I型裂紋。根據(jù)最大周應(yīng)力準(zhǔn)則,理論上周向切應(yīng)力子r茲=0,周向正應(yīng)力滓茲的方向與預(yù)制裂縫走向垂直,起裂角度茲=0毅。記由裂縫內(nèi)水壓力引起的周向正應(yīng)力為滓P,設(shè)x軸與滓3方向平行,y軸與滓1方向平行,各組試驗(yàn)起裂角度有以下規(guī)律:

a.對(duì)于A組試驗(yàn),試樣水力劈裂只由裂縫內(nèi)水壓力引起,滓P即為滓茲。由于試樣的不均勻性,內(nèi)部結(jié)構(gòu)與孔隙分布不完全相同,故試樣強(qiáng)度分布存在細(xì)微偏差,導(dǎo)致裂縫尖端起裂方向有所不同,通常滓茲方向并不與y軸完全重合,故起裂角度茲一般并不為0毅,但總體上接近于0毅。

b.對(duì)于B 組試驗(yàn),軸向加壓時(shí),滓茲>0,茲抑0毅,滓r<0,x軸方向存在負(fù)向變形(壓縮),y、z軸方向相應(yīng)存在正向變形(擴(kuò)張),預(yù)制裂縫在y軸方向受到拉應(yīng)力作用,該拉力作用與滓P的合力為滓茲,故與A組試驗(yàn)相比,滓茲方向與y軸方向更接近,起裂角度茲更趨近于0毅。

c.對(duì)于C組試驗(yàn),軸向壓力滓1與y軸重合,滓1與滓P的合力為滓茲。由于滓1與滓P夾角接近180毅,故與A組試驗(yàn)相比,滓茲方向與y軸方向偏離更大,起裂角度茲也更大。

根據(jù)C組試樣破壞后的形態(tài)可知,當(dāng)在與裂縫走向垂直方向存在一定大小的軸向壓力滓1時(shí),試樣并沒有完全劈開,劈裂面可能存在一定的殘存結(jié)合力。由于試樣的不均勻性,試樣內(nèi)部存在一定的缺陷,如細(xì)微裂縫、空腔或薄弱面,在發(fā)生水力劈裂破壞時(shí)裂縫更傾向于通過試樣內(nèi)部薄弱結(jié)構(gòu)向外擴(kuò)展,且由于軸向壓力滓1的作用,試樣破壞時(shí)位移與變形受到一定限制,可能導(dǎo)致試樣劈裂面上小部分強(qiáng)度相對(duì)較大的區(qū)域沒有完全斷開,從而使得劈裂破壞后劈裂面存在殘存結(jié)合力。殘存結(jié)合力與軸向壓力滓1關(guān)系及其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.5 試樣劈裂破壞過程內(nèi)水壓力規(guī)律分析

根據(jù)大型三場(chǎng)耦合三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中內(nèi)水壓力數(shù)據(jù)紀(jì)錄,每隔20 s取一數(shù)據(jù)繪圖如圖7所示,試樣破壞過程內(nèi)水壓力曲線呈“J冶形或“S冶形,劈裂歷時(shí)t隨試樣強(qiáng)度的增大而縮短,水力劈裂臨界水壓力Pc隨試樣強(qiáng)度的增大而增大。其中,B鄄3鄄1試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣表面存在微小缺陷導(dǎo)致密封性不良,有少量水從密封裝置側(cè)邊持續(xù)滲出,導(dǎo)致內(nèi)水壓力上升速度減慢,劈裂歷時(shí)增長(zhǎng),雖試樣破壞時(shí)的臨界水壓力值為真實(shí)值,由于劈裂歷時(shí)不準(zhǔn)確,故剔除B鄄3鄄1數(shù)據(jù)。

水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度越大,彈性模量就越大,二者存在線性正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性非常強(qiáng)。在裂縫內(nèi)水壓力相同的情況下,彈性模量越大,裂縫張開變形量越小,即縫內(nèi)空間更小,在內(nèi)水壓力加載速度相等的情況下,內(nèi)水壓力上升速度就更快,從而能在更短時(shí)間內(nèi)上升至臨界水壓力,所以劈裂歷時(shí)隨試樣強(qiáng)度增大而降低。對(duì)于同組試樣,劈裂歷時(shí)服從tM7郾5>tM10>tM15的規(guī)律。

由于水泥砂漿屬于類巖石材料,根據(jù)巖石在單向壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)現(xiàn)象,當(dāng)試樣軸向加壓時(shí),在試樣的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。由于軸向壓力作用于試樣兩端表面,靜摩擦力約束該表面橫向變形,使其有一定的剛性來阻止內(nèi)部的橫向變形,從而導(dǎo)致試樣內(nèi)部處于三維應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 試樣內(nèi)水壓力時(shí)程曲線

對(duì)于B組試驗(yàn),預(yù)制裂縫面也是試樣的受力面,當(dāng)裂縫表面上存在內(nèi)水壓力作用時(shí),裂縫表面處的砂漿也處于三維壓應(yīng)力狀態(tài),而A組試樣裂縫表面砂漿近似處于單向壓應(yīng)力狀態(tài),故B組試樣在內(nèi)水壓力作用下更難向兩側(cè)張開變形,所以內(nèi)水壓力上升更快,劈裂歷時(shí)更短。對(duì)于C組試驗(yàn),由于軸向壓力與內(nèi)水壓力方向相反,有抑制裂縫擴(kuò)展與張開變形的作用,所以內(nèi)水壓力上升更快,劈裂歷時(shí)更短。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于不同組的同強(qiáng)度試樣,劈裂歷時(shí)服從tA>tC>tB的規(guī)律。

4 結(jié) 論

a.軸向壓力相等的條件下,試樣的水力劈裂臨界水壓力Pc大小與試樣強(qiáng)度正相關(guān)。軸向壓力方向?qū)瘟芽p水力劈裂影響較大,當(dāng)軸向壓力方向與裂縫走向垂直時(shí),對(duì)裂縫開裂有抑制作用,水力劈裂臨界水壓力Pc升高;相反,軸向壓力方向與裂縫走向平行時(shí),對(duì)裂縫開裂有促進(jìn)作用。

b.本文試驗(yàn)水力劈裂屬于I型裂紋劈裂,軸向壓力加載方式對(duì)裂縫尖端的起裂角度茲有一定影響,3組試驗(yàn)起裂角度茲C>茲A>茲B。當(dāng)軸向壓力方向與裂縫走向平行時(shí),發(fā)生水力劈裂時(shí)劈裂面可能不完全斷開,存在少許殘余結(jié)合力。

c.水力劈裂臨界水壓力Pc與軸向壓力加載方向密切相關(guān),同強(qiáng)度試樣的Pc服從PcC>PcA>PcB的規(guī)律,劈裂歷時(shí)服從tA>tC>tB的規(guī)律。

d.試樣彈性模量越大,裂縫內(nèi)水壓力P的上升速度越快,水泥砂漿彈性模量與強(qiáng)度正相關(guān),故內(nèi)水壓力上升速度與試樣強(qiáng)度正相關(guān)。另外,軸向壓力方向無論是與預(yù)制裂縫走向平行還是垂直,都會(huì)使內(nèi)水壓力上升速度加快。

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