非貫通節(jié)理類巖石試件單軸壓縮特性初探

閆振雄，王培濤，蔣成榮，吳國洋

(1.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

采礦工程中面對的巖體主要由結(jié)構(gòu)體(巖石)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙等)構(gòu)成[1]。在某些情況下，結(jié)構(gòu)體對巖體力學(xué)性質(zhì)具有控制作用；在結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度很高時(shí)，主要是結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)決定了巖體的力學(xué)性質(zhì)[2]。隨著采礦工程領(lǐng)域巖石力學(xué)問題研究的不斷深入，已逐漸證實(shí)工程巖體的主要破壞形式為巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙的擴(kuò)展和相互貫通[3-6]。因此，研究節(jié)理裂隙巖體的破壞規(guī)律對于采礦工程硐室開挖及穩(wěn)定性分析具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

目前對于節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特性的研究，主要有現(xiàn)場大型原位試驗(yàn)和相似材料室內(nèi)試驗(yàn)兩種方法。由于成本高、技術(shù)不成熟等原因，開展現(xiàn)場大型原位試驗(yàn)的研究較少；而在相似材料室內(nèi)試驗(yàn)方面，汪中林[7]、黃偉[8]采用預(yù)制裂隙類巖石材料對單軸壓縮下裂隙巖體變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，預(yù)制裂隙的方法是采用薄鋼片插入試件漿體，待漿體初凝后再將薄鋼片抽出。采用這種方法制作的裂隙一般為貫通式或半貫通式平直裂隙，而無法制作復(fù)雜形態(tài)的嵌入式裂隙。近年來，隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟，復(fù)雜形態(tài)節(jié)理裂隙的實(shí)體建模成為可能，因而得到了巖石力學(xué)工作者的重視和應(yīng)用。謝和平等[9]在探索深部巖體力學(xué)問題時(shí)指出，3D打印技術(shù)與應(yīng)力凍結(jié)技術(shù)相結(jié)合將為實(shí)現(xiàn)裂隙巖體復(fù)雜結(jié)構(gòu)與內(nèi)部三維應(yīng)力場分布的定量分析與可視化以及印證數(shù)值模擬分析結(jié)果提供一條有效途徑；在其最新的研究成果中[10]，已運(yùn)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了砂礫巖模型復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)起裂擴(kuò)展時(shí)全局三維應(yīng)力場演化規(guī)律的直觀觀測和透明顯示。王培濤等[1,11]采用PLA(聚乳酸)高分子材料，利用3D打印技術(shù)制作了裂隙網(wǎng)格實(shí)體模型，探討了節(jié)理粗糙性、起伏角和波動(dòng)幅值對裂隙巖體模型單軸抗壓和抗剪力學(xué)特性的影響規(guī)律。王本鑫等[12]采用3D打印技術(shù)制作了無節(jié)理完整試件和非貫通平行四節(jié)理試件，結(jié)合CT掃描技術(shù)對試件內(nèi)部裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通演化規(guī)律進(jìn)行了研究，為3D打印技術(shù)在巖石力學(xué)領(lǐng)域的適用性提供了有益參考。

本文針對嵌入式非貫通節(jié)理對巖石力學(xué)特性的影響，基于3D打印技術(shù)建立了正弦型節(jié)理實(shí)體模型，制備了含嵌入式非貫通節(jié)理的類巖石試件，開展了單軸壓縮試驗(yàn)研究，探討了不同角度非貫通單節(jié)理和雙節(jié)理對類巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度的影響，初步揭示了含單節(jié)理、雙節(jié)理裂隙巖體的單軸壓縮力學(xué)特性。

1 正弦型節(jié)理3D打印

試驗(yàn)采用的3D打印機(jī)型號為Tier Time UP mini Plus 2，如圖1(a)所示。打印機(jī)噴頭直徑為0.4 mm，打印精度為0.15 mm，可打印模型的最大尺寸為120 mm×120 mm×120 mm(長×寬×高)。打印材料選用ABS塑料線材，經(jīng)噴頭(工作溫度約為260 ℃)熔融后分層堆疊于平臺(tái)制成樣本。打印層厚和填充方式是3D打印兩個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)打印模型的差異，每層厚度可設(shè)定在0.20～0.35 mm，本研究中設(shè)置打印層厚為0.20 mm；填充方式?jīng)Q定了模型內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，根據(jù)內(nèi)部充填網(wǎng)格的密集程度分別定義為“堅(jiān)固”“松散”“中空”和“大孔”，考慮到本研究中設(shè)置的節(jié)理厚度為1 mm，因此選擇的填充方式為“堅(jiān)固”。

圖1 Tier Time UP mini Plus 2型號3D打印機(jī)Fig.1 Tier Time UP mini Plus 2 printing system

正弦型單節(jié)理的建立分為以下幾個(gè)步驟：①利用AutoCAD建立正弦型節(jié)理的二維面域圖形，面域?qū)挾葹? mm，長度為60 mm，如圖2(a)所示；②采用“Extrude”命令對該面域圖形進(jìn)行拉伸，拉伸高度為75 mm，得到正弦型節(jié)理的三維模型，如圖2(b)所示；③由AutoCAD輸出模型的“.STL”格式文件，導(dǎo)入U(xiǎn)P打印軟件并完成參數(shù)設(shè)置，制備得到正弦型節(jié)理模型，如圖2(c)所示。 模型長度為60 mm，厚度為1 mm，高度為75 mm，波動(dòng)峰值為±5 mm。

2 單軸壓縮室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試件制作

節(jié)理模型制作完成后，即可澆筑類巖石試件。澆筑方法如圖3所示：①選用425普通硅酸鹽水泥為細(xì)骨料，粒徑較為均勻的河砂為粗骨料，水為膠結(jié)劑，以質(zhì)量配比4∶5∶1.6混合均勻，澆入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的ABS模型中，如圖3(a)所示；②將制作好的正弦型節(jié)理插入振動(dòng)完畢的水泥砂漿中，如圖3(b)所示，養(yǎng)護(hù)72 h；③養(yǎng)護(hù)完成脫模后在試件頂部進(jìn)行標(biāo)記，如圖3(c)所示為含傾角30°的單節(jié)理類巖石試件。本次實(shí)驗(yàn)共制作完整類巖石試件4塊，單節(jié)理類巖石試件3塊(節(jié)理角度分別為30°，45°，60°)及雙節(jié)理類巖石試件3塊(節(jié)理角度分別為30°、45°，30°、60°，45°、60°)。

圖2 正弦型節(jié)理3D打印流程Fig.2 3D printing process of sinusoidal joint

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

單軸壓縮試驗(yàn)采用攀枝花學(xué)院RFP-09型智能測力儀，軸向加載力50～3 000 kN，加載精度大于0.5%，可用于100 mm×100 mm、150 mm×150 mm、200 mm×200 mm及非標(biāo)試件、任意截面試件抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果及分析如下所述。

1) 完整類巖石試件。完整類巖石試件編號分別為1-1、1-2、1-3、1-4，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度均達(dá)到水泥標(biāo)號(σ0=42.5 MPa)的90%以上，不同試件的強(qiáng)度值較為接近，波動(dòng)幅度較??；試件的平均單軸抗壓強(qiáng)度為σav=39.5 MPa，接近水泥標(biāo)號的93%，因此可將39.5 MPa作為此次試驗(yàn)中完整類巖石試件的標(biāo)準(zhǔn)單軸抗壓強(qiáng)度，以此衡量單節(jié)理和雙節(jié)理對類巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

表1 完整類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度Table 1 Uniaxial compressive strength of rock-like specimens

完整類巖石試件的破壞形式如圖4所示。試件1-1表現(xiàn)為典型的拉伸破壞，即試件中的橫向拉應(yīng)力超過了巖石的抗拉極限，這是泊松效應(yīng)的結(jié)果；試件1-3表現(xiàn)為壓-剪破壞，破壞面法線與荷載軸線呈一定夾角；試件1-2、試件1-4達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，試件表面出現(xiàn)較多的細(xì)小裂紋，未出現(xiàn)明顯的貫通裂隙，此類試件的單軸抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度略高于試件1-1和試件1-3。

2) 單節(jié)理類巖石試件。單節(jié)理類巖石試件編號分別為1-30、1-45、1-60，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，含單節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度均小于完整類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度(σav=39.5 MPa)，其中試件1-30的強(qiáng)度降低幅度較大，僅為水泥標(biāo)號的85.88%，說明節(jié)理的存在削弱了巖石的承載能力；隨著單節(jié)理角度的增大，試件的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，變化趨勢如圖5所示，這主要與節(jié)理面切割度和節(jié)理面法向應(yīng)力有關(guān)，即節(jié)理面切割度越小，節(jié)理面法向應(yīng)力越大，則該節(jié)理面的剪切強(qiáng)度越大，試件破壞時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度越大。試件的單軸壓縮破壞形式如圖6所示。由圖6可知， 均為沿節(jié)理所在平面發(fā)生剪切破壞，說明既有節(jié)理的存在能夠控制試件中裂隙的產(chǎn)生位置和發(fā)展方向。

圖4 完整類巖石試件的破壞形式Fig.4 Failure mode of rock-like specimens

表2 單節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度Table 2 Uniaxial compressive strength of singlejointed rock-like specimens

圖5 單節(jié)理類巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.5 Uniaxial compression strength ofsingle jointed rock-like specimens

圖6 單節(jié)理類巖石試件的破壞形式Fig.6 Failure mode of single jointed rock-like specimens

3) 雙節(jié)理類巖石試件。雙節(jié)理類巖石試件編號分別為2-3045、2-3060、2-4560，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，雙節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度較完整類巖石試件大幅度降低，其平均單軸抗壓強(qiáng)度僅為水泥標(biāo)號的72.47%。試件的單軸壓縮破壞形式如圖7所示。由圖7可知，在單軸壓縮過程中，試件內(nèi)部裂隙發(fā)育、貫通程度較高，破壞后的試件非常破碎，基本上不具有殘余強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

1) 采用3D打印技術(shù)建立了正弦型節(jié)理三維實(shí)體模型，制備了含嵌入式正弦型節(jié)理的類巖石試件，初步實(shí)現(xiàn)了含復(fù)雜形態(tài)節(jié)理巖體的單軸壓縮試驗(yàn)，為裂隙巖體力學(xué)特性分析提供了有益借鑒。

表3 雙節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度Table 3 Uniaxial compressive strength of doublejointed rock-like specimens

圖7 雙節(jié)理類巖石試件的破壞形式Fig.7 Failure mode of double jointed rock-like specimens

2) 含節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度低于完整類巖石試件，且隨節(jié)理數(shù)量的增加，類巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度增大。

3) 對于單節(jié)理類巖石試件，破壞形式均為沿節(jié)理所在平面發(fā)生剪切破壞；且受節(jié)理面切割度和節(jié)理面法向應(yīng)力的影響，其單軸抗壓強(qiáng)度隨節(jié)理傾角的增大而增大。

4 討 論

天然巖體中的結(jié)構(gòu)面幾何分布十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為類弧形、三角形、矩形等形態(tài)[11]。不同幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)面(尤其是節(jié)理起伏角和波動(dòng)幅值)對試件在單軸壓縮狀態(tài)下的強(qiáng)度和破壞形式有直接影響。本文僅對特定起伏角、特定波動(dòng)幅值、特定長度的正弦型單節(jié)理、雙節(jié)理對類巖石試件力學(xué)特性的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為了更加全面地揭示結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響,下一步的研究方向主要集中在以下兩個(gè)方面。

1) 考慮量級上的差距，進(jìn)一步研究含多個(gè)正弦的單條節(jié)理、正弦+三角形組合的單條節(jié)理、正弦+矩形組合的單條節(jié)理等類巖石試件的力學(xué)特性。

2) 考慮采礦時(shí)圍巖的差異性，通過改變水灰比制作與花崗巖、砂巖、灰?guī)r等多種巖石相似的類巖石試件，從而研究節(jié)理對不同巖性裂隙巖體力學(xué)特性的影響規(guī)律。