貫通裂隙巖體單軸壓縮強(qiáng)度與能量演化機(jī)制研究

郭 威

(1.華北水利水電大學(xué)巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)研究院，河南 鄭州 450046;2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046)

0 引言

節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面廣泛分布于自然界的巖體中，破壞了巖石的完整性與均勻性，嚴(yán)重影響巖體的強(qiáng)度與變形破壞形式。巖石在荷載作用下的變形破壞本質(zhì)上是巖體內(nèi)部能量積聚與轉(zhuǎn)化、巖體裂隙逐步發(fā)展的結(jié)果［1-3］。

研究人員對(duì)不同材料、結(jié)構(gòu)的裂隙巖體在各式荷載下的變形破壞形式與力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。李銀平等［4］研究巖體不同方位、長(zhǎng)度的原生裂紋對(duì)巖體變形、裂紋發(fā)展的影響，探究裂隙的擴(kuò)展、巖體力學(xué)特性規(guī)律。蒲成志等［5-6］在考慮相似材料的基礎(chǔ)上，研究裂隙巖體在不同巖橋傾角下力學(xué)特征與失穩(wěn)破壞形式。Zhang等［7］利用數(shù)值模擬軟件預(yù)制單裂隙、多裂隙的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，研究巖樣在單軸壓縮下應(yīng)力場(chǎng)在不同裂隙下的影響變化規(guī)律，總結(jié)雙裂隙巖體中巖橋的斷裂破壞模式與裂紋的出現(xiàn)、發(fā)展、貫通的過(guò)程。陳旭光和張強(qiáng)勇［8］研究了巖石受荷變形至破壞過(guò)程中能量的變化、轉(zhuǎn)移機(jī)制。

現(xiàn)有的研究主要是針對(duì)不同形式裂隙的破壞情況與力學(xué)變化情況，對(duì)不同傾角的貫通裂隙巖體的力學(xué)劣化性質(zhì)與能量演化機(jī)制較少。探究巖樣在不同傾角貫通裂隙下的破壞特征與極限抗壓強(qiáng)度，并采用聲發(fā)射試驗(yàn)儀反映貫通裂隙巖石單軸壓縮下能量演化狀況，對(duì)巖石工程的穩(wěn)定性具有重要的研究意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用巖石為黃砂巖，礦物成分主要為石英、方解石、云母，密度為2.67 g/cm3，波速為2.71 km/s，如圖1所示。將黃砂巖加工成標(biāo)準(zhǔn)試件的巖樣（直徑d=5 cm，高h(yuǎn)=100 cm），采用試驗(yàn)設(shè)備微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW6202）將巖樣進(jìn)行單軸壓縮。試驗(yàn)過(guò)程中采用速率為0.05 cm/s位移控制法給試件施加上部荷載。將PCI-Ⅱ聲發(fā)射儀探頭對(duì)稱放置于試件中部，采集巖樣在單軸壓縮下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

圖1 巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣

1.2 試件破壞特征

如圖2所示，完整巖體與不同傾角的裂隙巖體其破壞特征也不盡相同。前4組為巖石破壞，后兩組屬于巖體破壞，既人造結(jié)構(gòu)面破壞。巖樣無(wú)裂隙、裂隙角度小于45°時(shí)，巖樣在應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋破壞，而角度大于45°時(shí)，巖樣基本上會(huì)隨著結(jié)構(gòu)面剪切滑移。

圖2 試樣單軸壓縮破壞后巖石圖片

當(dāng)巖石試件完整時(shí)，巖體破壞后的巖石較為破碎，巖體出現(xiàn)多條貫通裂紋。試件破碎較為徹底；當(dāng)貫通裂隙傾角為0°時(shí)，試件出現(xiàn)多條裂紋，主裂紋角度約82°，試件通過(guò)主裂紋大致可分為兩部分。當(dāng)貫通裂隙傾角為15°時(shí)，試件并未發(fā)生貫通，試件下部預(yù)制裂隙間出現(xiàn)裂隙，試件喪失承載力。當(dāng)裂隙傾角為30°時(shí)，兩條貫通裂紋中主要一條近似垂直預(yù)制隙，與另一條貫通裂紋試件下部交匯。當(dāng)貫通裂隙傾角為45°和60°時(shí)，試件的破壞特征類似，試件隨著結(jié)構(gòu)面破壞。45°貫通裂隙出現(xiàn)部分次生裂隙，表明裂隙處出現(xiàn)較大的摩擦力，而60°裂隙處較為光滑，為脆性破壞。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

對(duì)不同裂隙傾角的應(yīng)力應(yīng)變曲線分析發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，完整試件的抗壓強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度為90 MPa。裂隙的出現(xiàn)會(huì)造成巖樣損傷。試件的貫通裂隙為0°時(shí)，試件的抗壓能力較強(qiáng)，能夠承受較大的荷載。試件在喪失承載能力之前出現(xiàn)三個(gè)應(yīng)力極值，表明試件在破壞前出現(xiàn)多次損傷。巖樣在達(dá)到第一個(gè)應(yīng)力極值后略微下降，與該試件的破壞模式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此時(shí)試件內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)較大的裂紋，巖樣出現(xiàn)一定程度的劣化。15°裂隙傾角的試件應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后快速下降，然后小幅度上升，隨后突降。這表明試件出現(xiàn)破壞之后，還能保持一定承載能力。30°裂隙傾角的試件隨著荷載的增加而逐漸上升，達(dá)到最大極值后快速下降，是較為明顯的脆性破壞。45°傾角巖樣應(yīng)力平緩上升，達(dá)到極值后，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)先緩慢下降，后急速下降。表明試件發(fā)生損傷后，在一定程度仍然擁有較大的殘余強(qiáng)度，能夠承受一定的荷載。60°傾角應(yīng)力平緩上升，達(dá)到最大應(yīng)力值后突降，與30°的裂隙傾角表現(xiàn)一致，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性破壞。裂隙等結(jié)構(gòu)面的出現(xiàn)，會(huì)極大地?fù)p傷巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。隨著貫通裂隙傾角的增加，試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸下降。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

圖4為抗壓強(qiáng)度與彈性模量圖，如圖4所示，隨著裂隙傾角逐漸上升，巖樣能承載的最大抗壓強(qiáng)度也不盡相同，當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí)，極限應(yīng)力為76.3 MPa，相比完整巖樣，下降15.6%。

圖4 抗壓強(qiáng)度與彈性模量圖

當(dāng)貫通裂隙傾角上升至15°時(shí)極限應(yīng)力值為63.4 MPa，相比完整巖樣，下降29.6%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至30°時(shí)極限應(yīng)力值為40.5 MPa，相比于0°，下降55%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至45°時(shí)極限應(yīng)力值為44.3 MPa，相比于0°，下降50.8%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至60°時(shí)，極限應(yīng)力為31 MPa，相比于完整巖樣，下降65.4%。

當(dāng)貫通裂隙傾角為0°時(shí)彈性模量為63.3 GPa，相比于完整巖樣，下降23.2%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至15°時(shí)彈性模量為51.8 GPa，相比于完整巖樣，下降27.9%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至30°時(shí)彈性模量為31.1 GPa，相比于完整巖樣，下降62.1%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至45°時(shí)，彈性模量為44.8 GPa，相比于完整巖樣，下降45.4%。當(dāng)貫通裂隙傾角上升至60°時(shí)彈性模量為23.7 GPa，相比于完整巖樣下降71.1%。

2 聲發(fā)射模擬結(jié)果

如圖5所示，聲發(fā)射的振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)與巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可分為4個(gè)階段，裂紋加密階段、彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、貫通破壞階段。壓密階段，試件與壓力機(jī)接觸，內(nèi)部壓力突增，內(nèi)部微小裂隙受壓閉合，薄弱部位出現(xiàn)微裂縫，此時(shí)振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量呈現(xiàn)小幅度上升，該階段持續(xù)時(shí)間較短。此后試件內(nèi)部應(yīng)力逐漸上升而進(jìn)入彈性階段，聲發(fā)射事件少，隨著荷載的逐漸上升，試件內(nèi)部應(yīng)力積累超過(guò)臨界值，裂紋快速發(fā)展，振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量突增，振鈴計(jì)數(shù)峰值多集中在這一階段。繼續(xù)加載進(jìn)入峰后破壞階段，巖體的裂隙快速貫通，試件破壞，喪失承載能力。

由圖5可知，應(yīng)力變化曲線與振鈴計(jì)數(shù)之間變化趨勢(shì)較吻合。巖樣處在彈性變形階段時(shí)，應(yīng)力平穩(wěn)上升，此時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)少，處于“平靜”狀態(tài)。應(yīng)力曲線出現(xiàn)劇烈變化時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量也相應(yīng)出現(xiàn)突增。巖樣出現(xiàn)大幅度裂紋，巖石破壞釋放出大量能量，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)叢集現(xiàn)象。0°試件在受壓過(guò)程中的彈性階段在受壓過(guò)程中振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)小幅度上升，表明試件此時(shí)開始出現(xiàn)裂隙，應(yīng)力應(yīng)變曲線在試件即將破壞時(shí)出現(xiàn)數(shù)次波動(dòng)，振鈴計(jì)數(shù)也相應(yīng)出現(xiàn)3次突增。45°試件在應(yīng)力應(yīng)變曲線前期出現(xiàn)大量振鈴計(jì)數(shù)，隨后在彈性階段振鈴計(jì)數(shù)減少，在破壞階段出現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量突增。同時(shí)，45°試件在應(yīng)力到達(dá)峰值后緩慢下降，出現(xiàn)一段應(yīng)力緩慢下降過(guò)程，振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量小幅度升高，表明試件在破壞后能具有一定的承載能力，裂隙繼續(xù)發(fā)展。60°應(yīng)力曲線達(dá)到峰值后快速跌落，在試件破壞時(shí)振鈴計(jì)數(shù)突增，其他階段振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量較小，表明試件是明顯的脆性破壞。另一方面，比較5個(gè)試件樣應(yīng)力應(yīng)變曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量高的是0°試件，也表明該試件破壞最為劇烈?？赏ㄟ^(guò)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)來(lái)反映裂隙的量級(jí)尺度。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變曲線與振鈴計(jì)數(shù)對(duì)比分析圖

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW6202）與PCI-Ⅱ聲發(fā)射試驗(yàn)儀，研究不同傾角的貫通裂隙巖體在單軸壓縮荷載作用下的極限抗壓強(qiáng)度，獲取演示破壞特征以及能量演化機(jī)制。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①由于貫通裂隙破壞了巖石材料的完整性和均勻性，所以不同傾角的貫通裂隙的破壞特征也不盡相同，隨著傾角增加，試件單軸壓縮破壞模式由上下拉壓破壞轉(zhuǎn)為隨著預(yù)制裂隙剪切破壞；②隨著裂隙傾角的上升，試件單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量均出現(xiàn)劣化；③貫通裂隙試件在單軸壓縮荷載下應(yīng)力應(yīng)變曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化情況較吻合，能夠有效反映巖體內(nèi)部的裂隙出現(xiàn)、發(fā)展直至巖石破壞失穩(wěn)的過(guò)程。