1、第 44 卷 第 5 期2023 年10 月河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Henan University of Science and Technology(Natural Science)Vol.44No.5Oct.2023基金项目:国家自然科学基金项目(41772333);陕西省自然科学基金重点项目(2020JZ-53)作者简介:王娟(1979),女,山西保德人,工程师,硕士,主要从事岩石力学理论与工程应用等方面的研究.收稿日期:2023-04-10文章编号:1672-6871(2023)05-0056-09DOI:10.15926/ki.is
2、sn1672-6871.2023.05.008不同裂隙数量砂岩体力学性状演变规律试验研究王娟1,王星2,袁超1,吴禄源3(1.西安科技大学 理学院,陕西 西安 710699;2.陕西建工第八建设集团有限公司,陕西 西安 710001;3.河南大学 土木建筑学院,河南 开封 475001)摘要:对完整及裂隙砂岩样开展三轴压缩试验,结合扫描电镜、声发射定位、数值计算等表征手段,探明不同裂隙数量及围压条件下岩体力学性状及行为的演变规律,再现不同裂隙几何特征岩体破裂演化全过程,揭示细观角度下裂隙岩体破裂机理。结果表明:随围压的增大,裂隙岩体由脆性向延性转变,其强度增长速率逐渐减缓,2 MPa 围压对岩
3、体强度影响显著,完整岩样破坏形态由张拉向剪切转变,不同裂隙数量岩样均表现为剪切破坏;裂隙岩体变形破坏过程可分为裂纹萌生、裂纹稳定增长、峰前及峰后裂纹加速增长 4 个典型阶段;岩体裂纹扩展破坏形态由翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜裂纹萌生及扩展 3 部分共同组成;预制裂隙上下端应力集中处裂纹首先萌生,翼裂纹沿拉应力释放区和压应力区边界扩展发育,剪切次生共面裂纹沿与裂隙倾角平行的方向汇合贯通,形成张拉-剪切复合型断裂面。关键词:裂隙岩体;围压;力学特性;裂纹扩展中图分类号:TU452文献标志码:A0 引言 裂隙岩体是边坡、基岩等工程中普遍存在的一种结构形式,在结构特征(裂隙、断层)、赋存环境(围压)
4、、外荷载共同作用下,易出现损伤、强度劣化和失稳,进而诱发滑坡、崩塌等地质灾害和工程事故1-2。究其原因,岩体内部软弱结构面在复杂环境下不断发育扩展致使其强度发生劣化。因此,研究裂隙岩体微细观结构特性对宏观破裂的诱发机制是解决工程灾害的科学基础。近年来国内外学者在裂隙岩体力学特性方面取得了阶段性成果。文献3通过单轴压缩试验,研究了裂隙数量对岩体变形破坏特性的影响,得出岩体峰值应力随裂隙数量的增加而不断减小;文献4对含有非共面双裂隙类岩石材料开展了单轴压缩试验,得出裂纹凝聚的类型与裂隙的几何形状有关,产生包括翼裂纹、反翼裂纹、共面剪切裂纹和斜向剪切裂纹 4 种类型裂纹;文献5-7通过对预制裂隙岩石
5、开展单轴压缩试验,研究不同数量裂隙对岩体力学性能的影响,得出岩样峰后曲线下降速率随裂隙数量的增加而减缓;文献8-9在单轴压缩条件下,得出预制裂隙造成的初始损伤进一步降低了岩石强度,其变形破坏特性随裂隙数量的增加不断减小,破坏模式则以剪切破坏为主;文献10-11研究了单轴压缩下不同裂隙数量对岩体裂纹扩展的影响,得出岩体破裂模式与裂隙数量及排列方式有关;文献12-14对含预制裂隙大理岩块进行单轴压缩试验,得出岩体临界失稳荷载、峰值应变、弹性模型等力学特性随裂隙特征增加而明显降低;文献15对含有不同裂隙几何特征的类岩石岩样进行单轴压缩试验,分析其裂纹演化规律和宏观破裂特征;文献16对多裂隙类岩石材料
6、进行单轴压缩试验,研究了裂隙数量对岩体峰值应力和弹性模量的影响,随裂隙的增大,岩样应力-应变曲线延性增强;文献17-18基于计算机断层(computed tomography,CT)扫描技术对预制单裂隙类岩石材料进行三轴压缩试验,研究岩体内部裂纹扩展过程与损伤机理;文献19对 2 条裂隙类岩石材料进行单轴压缩试验,分析裂隙数量对岩体损伤演化规律的影响,得出裂纹扩展与裂隙几何特征有关,且裂隙之间无明显相互作用;文献第 5 期王娟,等:不同裂隙数量砂岩体力学性状演变规律试验研究20对类岩石材料开展三轴压缩试验,研究不同围压下岩体强度变形特性,得出低围压时,岩体破坏模式以脆性破坏为主,高围压时,岩体
7、由脆性破坏向延性转化;文献21对裂隙岩样进行三轴压缩试验,得出裂隙岩体损伤劣化模式有颗粒散落模式、龟裂模式和沿预制裂隙断裂模式 3 种;文献22对不同试验条件下裂隙岩体的损伤扩展规律和力学特性展开研究,得出裂隙岩样的破坏模式。以上研究从试验角度关注类岩石材料、单轴压缩条件下裂隙岩体力学特性的研究较多,而考虑真实岩石、围压等工程实际条件的研究较少。基于此,本文对含不同裂隙数量砂岩开展三轴压缩试验,辅以扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)、声发射(acoustic emission,AE)定位、数值计算等表征手段,分析裂隙数量对岩体力学性状及行为演变规律的影
8、响,探明裂隙岩体破裂机理,以期为岩体工程稳定性评价提供理论依据。1 材料和方法制备 50 mm100 mm 的标准完整及裂隙砂岩样,采用声波测定岩样波速,保证试验一致性。红砂岩地层埋深大约在 200 500 m,试验围压采用公式 P0=0.013 H 确定,其中:P0为围压,MPa;H 为埋深,m。围压取值为 2 MPa、4 MPa 和 6 MPa。选取完整岩样(无裂隙)及裂隙岩样(裂隙数量分别为1 条、2 条、3 条)进行力学特性试验(裂隙长度 10 mm,倾角 60,贯通,宽度 1.5 mm)。最终用于试验的完整岩样 12 块、裂隙岩样 36 块。试验首先将岩样表面打磨平整,涂抹凡士林后用
9、橡皮套包裹住,将滤纸放入上、下压垫之间;打开三轴测试系统,岩样放入压力槽中,安装轴向传感器 1、2,径向传感器及声发射接收器,预加载 1 kN 的力;按照 0.05 MPa/s 速度施加围压,随后以 0.05 mm/s 位移速率对岩样进行轴向加载,待岩样破坏时停止加载,收集好试验数据;计算岩样抗压强度、弹性模量等力学参数,试验结果取平均值,并绘制应力-应变曲线。2 岩体物理力学特性2.1波速及孔隙特征测定 图 1 为砂岩样平均纵波波速图。由图 1 可知:岩样波速随裂隙数量增加呈现逐渐下降的趋势。究其原因,声波通过裂隙岩样时发生折射、衰减,能量发生损耗。图 2 为不同放大倍数下砂岩样扫描电镜图。
10、由图 2 可知:在 50 倍及 150 倍放大倍数下,岩样颗粒间微孔洞、矿物碎屑清晰可见,颗粒间相互挤压作用使其呈蜂窝状,具有明显的大孔隙结构;在 400 倍放大倍数下,岩样颗粒轮廓清晰,平面间微裂隙表现为单向发育;在 500 倍放大倍数下,孔隙类型以粒间孔为主,颗粒间隙明显,孔隙连通性好。图 1砂岩样平均纵波波速图 图 2不同放大倍数下砂岩样扫描电镜图2.2应力-应变曲线 图 3 为不同围压作用下完整及裂隙砂岩样应力-应变曲线。由图 3a 可知:岩样在压密阶段曲线趋势近似一致,弹性阶段曲线斜率随裂隙数量的增加而逐渐减小,随荷载的增加,塑性变形阶段微裂纹的75持续增长累积最终与预制裂隙汇合贯通
11、,岩样达到最大承载力后发生破坏。由图 3b 可知:岩样强度受裂隙数量影响较为显著,随着裂隙数量的增加,曲线上升段斜率、峰值应变均逐渐减小。由图 3c 可知:完整岩样强度明显高于裂隙岩样,且围压越大、裂隙数量越多,对应岩样峰值应力越低。岩样轴向变形随裂隙数量的增大而快速减小。由图 3d 可知:岩样随着轴向荷载和轴向变形的增大,其内部微裂纹不断发育扩展,曲线开始偏离直线发展,岩样进入塑性屈服阶段,且很快达到峰值。(a)3=0 MPa(b)3=2 MPa(c)3=4 MPa(d)3=6 MPa图 3不同围压作用下完整及裂隙砂岩样应力-应变曲线2.3变形破坏特性 图 4 为不同围压作用下完整及裂隙砂岩
12、样变形破坏曲线。由图 4 可知:岩样峰值应力、弹性模量及峰值应变整体均随围压呈线性增大,且拟合直线斜率随着裂隙数量的增大而降低。以图 4a 为例,曲线斜率分别为 5.081、3.321、2.936 和 1.585,表明裂隙数量越多,岩样峰值应力对围压的敏感程度越高。分析原因为裂隙岩样比完整岩样的孔隙率要大,预制裂隙数量越多,表明岩样孔隙率越大,对应强度越低,且裂隙岩样易受围压作用产生压缩变形,其内部矿物与颗粒之间的接触面积增大,并产生相互作用,宏观上表现为裂隙数量越多,受围压影响就较大;当裂隙数量越小时,孔隙周围矿物颗粒容易被压缩,岩样变形破坏特性对围压敏感性逐渐降低。图 4b 弹性模量、图
13、4c 峰值应变与峰值应力变化规律较为一致,此处不再赘述。2.4宏观破坏模式 表 1 给出了不同围压作用下完整及裂隙砂岩样破裂形态。需要说明的是,2 条和 3 条裂隙岩样平行裂隙之间均产生了闭合裂纹,且随围压的增加闭合裂纹沿着预制裂隙端部继续发育,随着裂纹在岩桥内发展,最终裂纹汇合贯通,岩样发生破坏。分析原因:围压作用抑制了多条裂隙岩样的裂纹扩展和贯通,随裂隙数量的增加,破坏模式由剪切破坏逐渐向 X 状共轭斜面剪切破坏转变。85河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期王娟,等:不同裂隙数量砂岩体力学性状演变规律试验研究(a)围压与峰值应力(b)围压与弹性模量 (
14、c)围压与峰值应变图 4不同围压作用下完整及裂隙砂岩样变形破坏曲线表 1不同围压作用下完整及裂隙砂岩样破裂形态试验工况破坏模式特征描述完整岩样完整岩样破坏过程中两端裂纹萌生起裂,随荷载增大,裂纹不断发育扩展,直至宏观破裂,表现为明显的张拉破坏;随围压的增大,破坏形态由张拉向剪切转变;围压为 6 MPa 时,岩样发生拉剪复合型破坏,破坏程度加剧。1 条裂隙岩样1 条裂隙岩样破坏过程中出现翼型裂纹,伴有反翼型裂纹和远场拉伸裂纹;随围压的增大,裂隙尖端处应力集中,端部裂纹逐渐向两侧发育,最终与预制裂隙汇合贯通,岩样以剪切破坏为主的破坏形态,在拉应力作用下出现垂直裂隙的反翼型裂纹。2 条裂隙岩样2 条
15、裂隙岩样宏观破裂形式向着反翼型裂纹发展;随围压的增大,裂隙间的岩桥形成反翼型裂纹,伴有各方向的细微次生裂纹;围压为 6 MPa 时,岩样裂纹形态以剪切、反翼型裂纹为主,且裂隙之间形成闭合的裂纹。3 条裂隙岩样3 条裂隙岩样主要为翼型裂纹,伴有反翼型裂纹及远场拉伸裂纹;随围压的增大,裂纹首先出现在裂隙两端,形成的剪切变形、滑移使得裂隙端部发育形成 23 条剪切裂纹和反翼型裂纹,且伴随较少次生裂纹、远场剪切裂纹,发生 X 状共轭斜面剪切破坏。953 基于声发射特征岩体力学特性 选取围压 4 MPa 时 3 条裂隙砂岩样声发射特征进行分析。图 5 为声发射振铃计数与 3 条裂隙砂岩样应力-应变曲线。
16、由图 5 可知:3 条裂隙砂岩样声发射活动变化可分为 AE 活动平静期、AE 活动稳定增长期、AE 活动高速增长期和 AE 活动骤减期 4 个典型阶段。岩样破坏后,继续有 AE 活动出现是由于围压作用提高了岩体储存的应变能,反映到应力-应变关系为曲线形式呈“下凹”趋势。当岩样轴向应变达到 0.65%时,岩样达到了起裂应力,预制裂隙尖端裂纹萌生、扩展,振铃计数曲线加速上升,此时信号敏感性较强;当轴向应变接近 0.8%左右时,岩样达到峰值应力,振铃计数出现峰值,此时裂纹迅速贯通,岩样发生破坏,逐渐失去承载能力;随着轴向变形进一步增大,岩样在围压的作用下强度下降趋势有所减缓,但仍可以通过摩擦滑移承载,AE 活动逐渐趋于平缓。图 5AE 振铃计数与 3 条裂隙砂岩样应力-应变曲线4 岩体压缩变形数值计算4.1数值模型建立建立的数值模型尺寸和室内试验岩样尺寸一致,均为 50 mm100 mm,选取完整、1 条、2 条、3 条裂隙共计 4 种工况。在 PFC 软件中设定一个区域,在区域内使用 wall generate 命令生成与压缩装置相同图 6岩样数值计算模型的加载面,使用 ball dist
