側(cè)向壓力對(duì)裂隙巖體破壞形式及強(qiáng)度特征的影響

劉學(xué)偉,劉泉聲,劉 濱,潘玉叢

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071)

側(cè)向壓力對(duì)裂隙巖體破壞形式及強(qiáng)度特征的影響

劉學(xué)偉,劉泉聲,劉 濱,潘玉叢

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071)

為系統(tǒng)地研究側(cè)向壓力對(duì)裂隙巖體的破壞形式及強(qiáng)度特征的影響,利用RMT-150C電液伺服機(jī)及側(cè)向加壓設(shè)備對(duì)含預(yù)制裂隙石膏試樣進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:①隨著側(cè)向壓力的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線延性增強(qiáng),表現(xiàn)出典型的塑性變形特征。②不同側(cè)向壓力條件下,裂隙試樣破壞形式主要包括初始裂隙起裂破壞、側(cè)向劈裂破壞和表面剝落破壞3種。③側(cè)向壓力與試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量等強(qiáng)度參數(shù)呈現(xiàn)非線性增加關(guān)系。進(jìn)一步通過聲發(fā)射監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),側(cè)向壓力也會(huì)明顯地降低加載初期試樣的聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)踐現(xiàn)象具有很好的一致性。

側(cè)向壓力;裂隙巖體;破壞形式;強(qiáng)度特征;聲發(fā)射

巖體內(nèi)賦存的大量裂隙改變了巖石的力學(xué)性質(zhì),降低了巖石的變形和強(qiáng)度參數(shù),并在工程擾動(dòng)作用下極易擴(kuò)展并相互貫通,已逐漸成為威脅工程巖體安全性和穩(wěn)定性的主要因素[1]。因此,在工程建設(shè)日益復(fù)雜的今天,為了有效地對(duì)裂隙巖體失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行科學(xué)分析,以及對(duì)工程進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì),開展裂隙試樣在不同加載條件下的破壞過程和強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含裂隙巖石材料在加載條件下的裂隙擴(kuò)展和強(qiáng)度特征進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。在裂隙破壞形式方面,林鵬等[2]研究了不同角度的預(yù)置單裂紋缺陷的花崗巖試樣的裂紋擴(kuò)展與破壞過程,認(rèn)為單軸載荷作用下,裂紋擴(kuò)展和最后的破壞行為受預(yù)置單裂紋缺陷的角度影響;A.Boet等[3]通過采用在石膏材料中預(yù)制平行雙裂隙,研究了類巖石材料在單軸和雙軸壓縮作用下的裂隙擴(kuò)展形式與幾何規(guī)律;陳衛(wèi)忠等[4]進(jìn)行了閉合裂紋試樣的單、雙軸壓縮試驗(yàn),分析了裂紋的擴(kuò)展貫通規(guī)律;付金偉等[5]通過一種新型的非飽和樹脂材料,研究了單軸壓縮條件下單裂隙的擴(kuò)展與貫通過程,并分析探討了其產(chǎn)生的條件和機(jī)理;R.H.C.Wong等[6]對(duì)含多條平行預(yù)置裂隙類巖石材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),研究了多裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通機(jī)制;李碧勇等[7]研究了對(duì)稱分支裂隙在單軸壓縮條件下的擴(kuò)展規(guī)律,并進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn);張平[8]采用含裂隙石膏試樣,對(duì)動(dòng)靜載荷作用下裂隙擴(kuò)展、貫通過程及影響因素進(jìn)行了分析。在強(qiáng)度特征方面,劉東燕等[9]討論了節(jié)理方位、圍壓大小對(duì)含X型斷續(xù)節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響;蒲成志等[10]通過對(duì)預(yù)制多裂隙水泥砂漿試件的單軸壓縮試驗(yàn),研究了裂隙分布密度對(duì)試件斷裂破壞強(qiáng)度的影響;張波等[11]以相似材料制作含交叉裂隙巖體試樣,考慮裂隙角度及夾角的變化,研究了單軸壓縮作用下X形裂隙的強(qiáng)度規(guī)律;M.Prudencio等[12]通過對(duì)斷續(xù)節(jié)理試件開展了雙軸壓縮試驗(yàn),研究了節(jié)理間距、節(jié)理傾角等參數(shù)變化對(duì)巖體破壞模式、強(qiáng)度和變形特征的影響;Yang[13]對(duì)含共面雙裂隙砂巖試樣在單軸壓縮條件下的變形行為,以及裂隙傾角對(duì)抗壓強(qiáng)度、起裂強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究;陳新等[14]研究了單軸壓縮條件下節(jié)理傾角和連通率對(duì)巖體強(qiáng)度、變形特征的影響。

以上研究有力地豐富了巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律和變形理論。但通過分析不難發(fā)現(xiàn),上述成果具有以下幾個(gè)特點(diǎn):①試驗(yàn)的加載方式有單軸和雙軸2種,但是受困于試驗(yàn)設(shè)備,目前試驗(yàn)主要集中在單軸壓縮條件,較少進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn);②目前針對(duì)裂隙擴(kuò)展、貫通模式和強(qiáng)度演化規(guī)律的試驗(yàn)研究主要集中在調(diào)整試樣中裂隙參數(shù),包括裂隙傾角、類型、數(shù)量等因素,較少研究側(cè)向壓力和裂隙的分別變化對(duì)破壞機(jī)制的影響,以及側(cè)向壓力與強(qiáng)度定量關(guān)系的試驗(yàn)研究。

為此,考慮到實(shí)際巖體所處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),本文開展了不同側(cè)向壓力條件下裂隙試樣的雙軸壓縮試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了側(cè)向壓力對(duì)于裂隙試樣的強(qiáng)度特征、破壞形式以及聲發(fā)射特征的影響,并初步分析了側(cè)向壓力對(duì)上述因素的影響機(jī)制,對(duì)工程巖體開挖和支護(hù)行為提供了一定的試驗(yàn)和理論支撐。

1 裂隙試樣試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣長(zhǎng)×寬×高為60 mm×40 mm×120 mm,采用可拆卸方形鋼模具澆筑而成,其中內(nèi)置裂隙采用在試樣澆筑后插入鋼片的方法制作。材料的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of material

裂隙形式包含單裂隙和X形交叉裂隙2種。單裂隙長(zhǎng)度為20 mm,根據(jù)預(yù)制裂隙傾角α的不同,設(shè)計(jì)分成0°,30°,45°,60°和90°共5組;X形交叉裂隙中兩裂隙長(zhǎng)度均為20 mm,其中主裂隙與水平向夾角α分別設(shè)計(jì)為0°,30°,45°和60°四組。裂隙的空間布置及加載方式如圖1所示。為表述方便,約定試樣中預(yù)制裂隙為“初始裂隙”,在加載過程中萌生的裂隙為“新生裂隙”。

圖1 裂隙試樣的幾何布置及加載示意Fig.1 Geometrical arrangement and loading schematic diagram of fractured specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)主要包括3個(gè)基本設(shè)備:試樣軸向加載設(shè)備、試樣側(cè)向加載設(shè)備和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備。

試樣軸向加載采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的RMT-150C數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)(圖2),該設(shè)備垂直最大出力為1 MN,水平最大出力為0.5 MN,三軸壓縮最大圍壓50.0 MPa,機(jī)架剛度為5 MN/mm。設(shè)備可采用位移和載荷方式控制加載,試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,實(shí)時(shí)顯示,具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能。本試驗(yàn)采用載荷控制加載方式,加載速率為0.02 kN/s。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Testing system

由于RMT-150C試驗(yàn)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)側(cè)向加載,因此在試驗(yàn)機(jī)的加載空間增加了一個(gè)側(cè)向加壓設(shè)備,該設(shè)備由油泵、穩(wěn)壓器、油管及側(cè)向加壓裝置組成,其中側(cè)向加壓裝置如圖2左上角所示,采用4根長(zhǎng)螺桿將3塊高剛度鋼板串起,其中一側(cè)放置千斤頂施加側(cè)向壓力,另一側(cè)放置試樣。

聲發(fā)射測(cè)試采用美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCIII聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)。試樣表面放置4個(gè)聲發(fā)射傳感器,對(duì)稱分布于試樣前后面。同時(shí)在試樣和四周墊片之間加墊聚四氟乙烯薄膜,實(shí)現(xiàn)減摩祛噪。

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)完整試樣、單裂隙試樣和交叉裂隙試樣分別進(jìn)行單軸和雙軸壓縮試驗(yàn),雙軸試驗(yàn)側(cè)向壓力值根據(jù)試樣的單軸壓縮強(qiáng)度設(shè)定。試樣及傳感器放置好之后,首先按照軸向加載速率0.2 kN/s、側(cè)向加載速率0.4 kN/s施加σ1=σ3至到預(yù)定側(cè)向壓力值,再保持側(cè)向壓力恒定,并將軸向加載速率調(diào)整為0.02 kN/s,同時(shí)啟動(dòng)聲發(fā)射采集系統(tǒng),開始正式加載直至試樣破壞。先按每種條件下進(jìn)行2次試驗(yàn),對(duì)2次試驗(yàn)效果均差的情況,進(jìn)行補(bǔ)做。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)不同裂隙形式的試樣均進(jìn)行了單軸壓縮和雙軸壓縮試驗(yàn),并獲取了各試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、裂隙擴(kuò)展和破壞形式。鑒于篇幅所限,選取較典型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同側(cè)向壓力條件下各裂隙試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示,圖中數(shù)字表示側(cè)向壓力值。由圖3可知,不同側(cè)向壓力條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變形特征基本一致,均表現(xiàn)為較少的壓密段、彈性段和屈服段。不同的是隨著側(cè)向壓力增加,曲線逐漸表現(xiàn)為典型的塑性變形特征,且延性特征增強(qiáng),特別是在側(cè)向壓力較高時(shí),幾乎呈現(xiàn)出強(qiáng)化彈塑性曲線特征。這說明較大的側(cè)向壓力可以更好的限制試樣的側(cè)向變形,保持試樣的完整性。

圖3 不同側(cè)向壓力條件下,不同裂隙形式試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves for specimens with different fracture types under different lateral pressures

2.2 試樣破壞形式

單軸壓縮試驗(yàn)下完整試樣的破壞形式側(cè)向劈裂為主,單裂隙和交叉裂隙試樣的破壞則表現(xiàn)為典型的初始裂隙起裂擴(kuò)展破壞形式。圖4～6分別是不同側(cè)向壓力條件下各裂隙試樣的破壞形式。

圖4(a),(b)分別為完整試樣在單軸壓縮和側(cè)向壓力為0.5 MPa時(shí)的破壞形式。可以看出,試樣破壞均呈現(xiàn)端部壓縮和側(cè)向劈裂破壞特征,不同的是雙軸加載條件下試樣側(cè)向劈裂紋較單軸壓縮更為細(xì)小,如圖4(b)所示。其中端部壓縮主要是由于試樣顆粒間膠結(jié)性較差,在軸向壓力作用下端部區(qū)域內(nèi)顆粒相互擠壓滑動(dòng)而出現(xiàn)粉末狀壓縮帶。此后軸向力通過壓縮帶向試樣進(jìn)行傳遞,使得試樣兩側(cè)微裂隙逐漸萌生擴(kuò)展,最終產(chǎn)生宏觀裂隙,導(dǎo)致試樣失穩(wěn)。

圖4 完整試樣破壞形式Fig.4 Failure modes of intact specimens

圖5 單裂隙試樣破壞形式Fig.5 Failure modes of specimens with a single fracture

圖6 交叉裂隙試樣破壞形式Fig.6 Failure modes of specimens with cross-fractures

圖5(b)表示單裂隙試樣在側(cè)向壓力0.5 MPa時(shí)的破壞形式。此時(shí)試樣的破壞形式不受初始裂隙的影響,表現(xiàn)為與完整試樣類似的端部壓縮和側(cè)向劈裂破壞。這一試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)試樣中裂隙較少時(shí),側(cè)向壓力會(huì)掩蓋裂隙的作用,即對(duì)應(yīng)于較軟弱的巖石材料,當(dāng)裂隙較少時(shí),材料的失穩(wěn)破壞形式在一定程度上受加載條件的影響。

圖6分別為交叉裂隙試樣單軸壓縮和0.3 MPa側(cè)向壓力條件下的破壞,在單軸和雙軸壓縮條件下,試樣的破壞形式均為初始裂隙起裂擴(kuò)展破壞。值得注意的是,雙軸加載條件下試樣裂隙擴(kuò)展和破壞特征表現(xiàn)出與之前的試樣均不同的特征:①裂隙擴(kuò)展過程不同。新生裂隙相對(duì)細(xì)小,即便在試樣破裂失穩(wěn)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)較大裂隙;②裂隙擴(kuò)展方向不同。在雙軸加載條件下,裂隙擴(kuò)展方向不再沿著主加載方向延伸,而是發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn);③試樣破壞形式不同。交叉裂隙試樣的雙軸壓縮破壞受控于初始裂隙,而不是側(cè)向的劈裂破壞。這一試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)試樣中存在較多裂隙時(shí),側(cè)向壓力將不能掩蓋裂隙的作用,此時(shí)試樣的破壞形式仍由裂隙主導(dǎo),但是側(cè)向壓力對(duì)試樣的裂隙擴(kuò)展和破壞形式影響仍是顯著的。

3 結(jié)果分析

3.1 側(cè)向壓力對(duì)強(qiáng)度特征的影響

從圖7可以看出,單裂隙試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨側(cè)向壓力呈拋物線增加趨勢(shì)。在單軸壓縮時(shí),其抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為3.285MPa和0.767 GPa,隨著側(cè)向壓力增加到1.5 MPa,抗壓強(qiáng)度和彈性模量也分別增加到4.087 MPa和1.537 GPa,增長(zhǎng)率分別為24.4%和100.4%。可見,側(cè)向壓力可以顯著提高單裂隙試樣的強(qiáng)度參數(shù)。

圖7 單裂隙試樣側(cè)向壓力與強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationships between lateral pressure and strength parameters of specimens with a single fracture

同樣地,對(duì)于交叉裂隙試樣,由圖8可以看出,隨著側(cè)向壓力的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量亦呈現(xiàn)出拋物線增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)側(cè)向壓力由0增加到0.8 MPa時(shí),上述參數(shù)分別由3.824 MPa和1.082 GPa增加到4.817 MPa和1.432 GPa。

顯然,不論是單裂隙試樣還是復(fù)雜裂隙試樣,各強(qiáng)度參數(shù)與側(cè)向壓力的關(guān)系是一致的,所不同的是,單裂隙試樣隨著側(cè)向壓力的增加,參數(shù)的增加速率逐漸增大,而交叉裂隙試樣參數(shù)的增加速率則逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]具有較好的一致性。將上述非線性關(guān)系用如下的多項(xiàng)式函數(shù)表示:

圖8 交叉裂隙試樣側(cè)向壓力與強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationships between lateral pressure and strength parameters of specimens with cross-fractures

式中,P為強(qiáng)度參數(shù),分別代表抗壓強(qiáng)度σc和彈性模量E;σ3為側(cè)向壓力;a,b,c為函數(shù)系數(shù)。

表2列出了各強(qiáng)度參數(shù)與側(cè)向壓力擬合方程中的系數(shù),以及相關(guān)系數(shù)R2。

表2 側(cè)向壓力與強(qiáng)度參數(shù)擬合函數(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of fitting functions between lateral pressure and strength parameters

3.2 側(cè)向壓力對(duì)破壞形式的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,將試樣破壞形式分為3類:初始裂隙起裂破壞、側(cè)向劈裂破壞以及表面剝落破壞。

其中,表面剝落破壞是側(cè)向壓力對(duì)破壞形式影響的典型表現(xiàn)。對(duì)于完整試樣,在單軸壓縮和低側(cè)向壓力(0.5 MPa)時(shí),試樣破壞形式為側(cè)向劈裂破壞,同時(shí)試樣頂端也會(huì)出現(xiàn)一層粉末壓縮帶。但隨著側(cè)向壓力進(jìn)一步增加(2 MPa),試樣破壞時(shí)將不出現(xiàn)明顯裂隙,取而代之是較多的表面淺層剝起(圖9(b))。

這一破壞形式表明當(dāng)側(cè)向壓力達(dá)到一定值時(shí),完整試樣的破壞形態(tài)由側(cè)向劈裂向表面剝落破壞轉(zhuǎn)化。在工程實(shí)踐中,特別是在深埋隧道或深部巷道開挖后,硐室表面巖體由三向壓力轉(zhuǎn)化為兩向壓力狀態(tài),此時(shí)很容易出現(xiàn)片幫、炸漿等巖石力學(xué)現(xiàn)象,這些現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。

如圖10所示,當(dāng)存在側(cè)向壓力時(shí),單裂隙試樣表現(xiàn)出典型的側(cè)向劈裂破壞形式。且隨著側(cè)向壓力的增加,側(cè)向的劈裂紋逐漸變的細(xì)小。具體表現(xiàn)為,當(dāng)側(cè)向壓力為0.5 MPa時(shí),試樣破壞時(shí)存在多條側(cè)向劈裂紋,而側(cè)向壓力增加到1.0 MPa時(shí),側(cè)向劈裂紋只出現(xiàn)一條并且較為延展不長(zhǎng),當(dāng)側(cè)向壓力進(jìn)一步增加至1.5 MPa時(shí),劈裂紋則更加細(xì)小,試樣破壞表現(xiàn)為典型的塑性破壞特征,此時(shí)試樣中也出現(xiàn)了較少的表面剝起。

圖9 表面剝落破壞形式Fig.9 Failure modes of surface spalling

圖10 側(cè)向劈裂破壞形式Fig.10 Failure modes of lateral splitting

試驗(yàn)結(jié)果表明,側(cè)向壓力在一定程度上可以與裂隙作用等效。即當(dāng)試樣中存在一定裂隙時(shí),隨著側(cè)向壓力的增加,破壞形式由初始裂隙擴(kuò)展破壞演化至表面剝落破壞;當(dāng)固定側(cè)向壓力時(shí),隨著裂隙的增加,破壞形式逐漸由表面剝落破壞向初始裂隙擴(kuò)展破壞轉(zhuǎn)化。這一試驗(yàn)現(xiàn)象的意義在于,當(dāng)工程巖體中存在大量的裂隙甚至是裂隙網(wǎng)絡(luò)時(shí),側(cè)向壓力固然能提高巖體抵抗壓縮變形能力,但是巖體破壞形式仍然受控于裂隙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展演化。只要初始裂隙尖端應(yīng)力條件滿足破裂條件,裂隙就會(huì)擴(kuò)展并最終導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。在地質(zhì)條件較差的深埋軟弱圍巖巷道中,硐室的失穩(wěn)大多基于此原因。而當(dāng)巖體較為完整,同時(shí)側(cè)向壓力較高時(shí),此時(shí)最易發(fā)生第三類表面剝落破壞,比較典型的是深埋水工隧洞開挖過程中巖爆現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 側(cè)向壓力對(duì)聲發(fā)射特征的影響

在對(duì)試樣連續(xù)加載的條件下,不同側(cè)向壓力條件下試樣的聲發(fā)射特征對(duì)比曲線如圖11,12所示。圖11,12表明,不同側(cè)向壓力條件下,其聲發(fā)射隨側(cè)向壓力變化具有如下特征:①在加載初期,單軸加載條件下試樣的聲發(fā)射活動(dòng)隨著載荷的增加逐漸增加,雙軸壓縮條件則在加載初期聲發(fā)射活動(dòng)就相對(duì)較為顯著,并且在后期宏觀裂隙產(chǎn)生和穩(wěn)定擴(kuò)展過程中能量的釋放程度比較緩和,較少出現(xiàn)突然集中釋放的現(xiàn)象;②相較于單軸壓縮,存在側(cè)向壓力時(shí)試樣加載過程中的聲發(fā)射活動(dòng)總體均處于較低水平,這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[15]對(duì)不同三軸圍壓條件下煤樣聲發(fā)射特征的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖11 不同側(cè)向壓力單裂隙試樣聲發(fā)射特征Fig.11 AE characteristics of the specimens with a single fracture under different lateral pressures

裂隙的擴(kuò)展對(duì)應(yīng)著能量的釋放,顯然,新生裂隙越細(xì)小,裂隙擴(kuò)展過程所釋放的能量也越低,聲發(fā)射數(shù)量也會(huì)隨之降低。對(duì)比不同側(cè)向壓力條件下試樣的破壞形式可知,聲發(fā)射特征與裂隙擴(kuò)展及破壞現(xiàn)象是相吻合的。需要說明的是,圖11,12中聲發(fā)射總能量并不是試件加載過程中釋放的絕對(duì)能量,而是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理后的相對(duì)能量,為量綱為1的量。

3.4 側(cè)向壓力的影響機(jī)制分析

左建平等[16]通過對(duì)單體巖石、單體煤和煤巖組合體進(jìn)行單軸試驗(yàn)下的聲發(fā)射測(cè)試發(fā)現(xiàn):材料的強(qiáng)度越高,加載初始階段聲發(fā)射活動(dòng)越低,因此聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)則越少。而聲發(fā)射是指巖石或混凝土等脆性材料在破壞過程中以彈性波形式釋放出來的瞬時(shí)應(yīng)變能力現(xiàn)象,聲發(fā)射活動(dòng)低意味著加載過程中微破裂現(xiàn)象較少。

因此,通過聲發(fā)射這一內(nèi)部監(jiān)測(cè)手段以及對(duì)宏觀破壞形式分析,可以初步認(rèn)為側(cè)向壓力對(duì)于強(qiáng)度特征和破壞形式影響的內(nèi)在機(jī)制在于:①在靜水圍壓的施加過程中的壓密作用,使得試樣宏觀裂隙和微裂隙均出現(xiàn)不同程度的閉合,這在一定程度上增加了其抵抗壓縮變形的能力;②側(cè)向壓力增大了宏觀裂隙以及材料顆粒之間的摩擦因數(shù),同時(shí)對(duì)微破裂有較強(qiáng)的抑制作用,因此改變了試樣的失穩(wěn)形式,并導(dǎo)致裂隙起裂和失穩(wěn)的困難。

圖12 不同側(cè)向壓力交叉裂隙試樣聲發(fā)射特征Fig.12 AE characteristics of the specimens with crossfractures under different lateral pressures

4 結(jié) 論

(1)雙軸加載條件下,隨著側(cè)向壓力的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線延性逐漸增強(qiáng),在峰后不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力跌落,且隨著側(cè)向壓力的進(jìn)一步增大,曲線幾乎呈現(xiàn)強(qiáng)化彈塑性變形特征。

(2)試樣的破壞形式主要包括初始裂隙起裂破壞、側(cè)向劈裂破壞和表面剝落破壞3種。在一定范圍內(nèi),隨著側(cè)向壓力的增加,完整試樣破壞形式由側(cè)向劈裂逐漸向表面剝落破壞轉(zhuǎn)化,單裂隙試樣則由初始裂隙起裂破壞形式向側(cè)向劈裂破壞形式轉(zhuǎn)化,交叉裂隙試樣始終保持初始裂隙起裂破壞形式,但此時(shí)新生裂隙比單軸壓縮條件下較為細(xì)小和曲折。

(3)側(cè)向壓力對(duì)強(qiáng)度特征有明顯的影響。隨著側(cè)向壓力的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈現(xiàn)拋物線增長(zhǎng)趨勢(shì)。所不同的是,隨著側(cè)向壓力的增加,單裂隙試樣強(qiáng)度參數(shù)的增加速率逐漸增大,而交叉裂隙試樣的強(qiáng)度參數(shù)的增加速率逐漸降低。

(4)在雙軸加載條件下,聲發(fā)射特征曲線中波動(dòng)幅度較小,同時(shí)聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)都較單軸壓縮有大幅的降低。

(5)側(cè)向壓力對(duì)試樣強(qiáng)度和破壞形式的影響與其對(duì)壓密作用以及對(duì)微破裂的抑制作用密切相關(guān)。

值得注意的是,文中選用的裂隙形式由工程巖體中復(fù)雜裂隙形式簡(jiǎn)化而成,目的是獲得裂隙巖體的破壞形式和強(qiáng)度特征,進(jìn)而為裂隙擴(kuò)展機(jī)制及開挖失穩(wěn)過程提供理論基礎(chǔ)。考慮到工程巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)和工程地質(zhì)條件,試驗(yàn)與工程實(shí)際巖體在材料強(qiáng)度、加載方式與加載條件、開挖過程描述及裂隙形式等方面均存在一定的差異,如何將試驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用于實(shí)踐工程將有待進(jìn)一步深入研究。

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Effects of lateral pressure on failure modes and strength characteristics of fractured rock mass

LIU Xue-wei,LIU Quan-sheng,LIU Bin,PAN Yu-cong
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071, China)

A series of biaxial compression tests were carried out on the gypsum specimens with fractures using RMT-150C electrohydraulic sero machine and lateral pressure-adding equipment,which aimed to investigate the influences of lateral pressure on failure modes and strength characteristic.The experimental results indicate that:①With the increase of lateral pressure,the ductility of stress-strain curves increases and even shows typical plastic deformation characteristics.②For different lateral pressure,there are three types of failure modes:initial fractures propagation,lateral splitting and surface spalling.③The parameters including the compression strength,and the elastic modulus of specimens have a significant nonlinear relationship with lateral pressure.Furthermore,the acoustic emission(AE)monitoring results show that the lateral pressure will reduce the AE energy and number.The experimental results in this paper match well with previous literatures and the phenomenon of some engineering practices.

lateral pressure;fractured rock mass;failure mode;strength characteristic;acoustic emission

TD313

A

0253-9993(2014)12-2405-07

2013-12-14 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2014CB046904);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41130742);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署資助項(xiàng)目(KZZD-EW-05-03)

劉學(xué)偉(1987—),男,湖北天門人,助理研究員,博士。E-mail:Liuxw87@126.com

劉學(xué)偉,劉泉聲,劉 濱,等.側(cè)向壓力對(duì)裂隙巖體破壞形式及強(qiáng)度特征的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2405-2411.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1865

Liu Xuewei,Liu Quansheng,Liu Bin,et al.Effects of lateral pressure on failure modes and strength characteristics of fractured rock mass [J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2405-2411.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1865