天然微裂隙對白云巖力學性質影響的試驗研究

趙葉江，陳 旭

（貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550000）

微裂隙是巖石材料較為顯著的力學特征之一，主要包括原生裂隙、構造裂隙和次生裂隙，其成因主要是成巖過程中形成的裂隙或空洞、構造作用和卸荷行為以及人為取樣行為。因此，在巖石材料中由于存在微裂隙且它會逐漸發展，對巖石材料的力學性質有重要影響?，F階段，國內外學者對巖石材料微裂隙的研究成果均表明裂隙對巖石材料的力學性質影響十分明顯；雖然發現了一定的規律，但是還不夠全面，特別是微裂隙對白云巖的力學性質影響研究方面。白云巖分布十分廣泛，因而研究微裂隙對其力學性質的影響規律十分必要。鑒于此，文章在已有研究的基礎上，從天然微裂隙密度及微裂隙傾角對白云巖力學性質影響的角度出發，探究天然微裂隙對白云巖力學性質影響的變化規律。

1 單軸壓縮試驗方案

1.1 試驗樣品與制備

此次試驗的樣品取自貴州貴陽某隧道工程的白云巖，對所取試樣進行SEM電鏡掃描得其主要的微觀結構，如圖1所示。

圖1 白云巖試樣的微觀結構

由圖1可知，試樣的微觀結構主要表現為霧狀、根狀和臺階狀三種結構類型。從外觀上看，霧狀和臺階狀的天然微裂隙較少，而根狀結構的試樣天然微裂隙較多，可見天然微裂隙主要產生于根狀結構。

1.2 天然微裂隙的確定及量化

為確定白云巖天然微裂隙的裂隙長度力學試驗中白云巖內部微裂隙對白云巖強度特性、變形特性及破壞模式的影響，采用以下方法對試件的微裂隙（包括微裂隙數量、微裂隙長度以及微裂隙相對試件軸向的傾角）進行統計，具體步驟如下：（1）用素描紙對白云巖試件的微裂隙進行素描，在光線充足的條件下，借助光學放大鏡先用記號筆對巖石試件表面所能觀察到的毫米級裂隙（長度為10～100mm，寬度為0.01～1mm）進行描繪，得到試件的微裂縫分布如圖2（a）所示。（2）將畫好的素描圖導入CAD軟件，即將素描好的裂隙分布圖拓印到白紙上，再把白紙上的裂隙分布圖掃描導入CAD軟件，通過CAD軟件對試件微裂隙的素描圖進行計算分析，可得到微裂隙的數量、長度以及微裂隙相對試件軸向的傾角，如圖2（b）所示。

圖2 白云巖天然微裂隙的量化過程

由統計分析得到代表性試樣天然微裂隙密度Ka的分布區間結果如圖3所示。由統計結果可知，所取巖樣的微裂隙密度在0.0015～0.042mm/條，其平均值為0.024mm/條。

圖3 巖石試樣的微裂隙密度分布范圍

1.3 巖石試樣分組

由微裂隙統計數據分析可知，按照微裂隙密度將巖石試樣分為4組，按微裂隙傾角將巖石試樣分為5組，具體分組情況如表1、表2所示。

表1 巖石試樣按微裂隙密度分組情況

表2 巖石試樣按微裂隙傾角分組情況

2 試驗結果

抗壓強度和彈性模量作為巖石材料重要的力學、變形參數，在描述巖石力學特性以及工程應用中有著十分重要的作用。

2.1 微裂隙對應力應變關系的影響

由壓縮試驗結果得到各個巖石試樣應力應變關系曲線，如圖4所示。

圖4 不同微裂隙密度下的應力應變關系曲線

由圖4可知，該巖石試樣的應力應變關系曲線為第Ⅰ類曲線，且巖石試樣在不同微裂隙密度下，應力隨應變的不斷增加而增大；但隨著微裂隙密度的不斷增大，每個巖石試樣的單軸抗壓強度在降低?？梢钥闯?，微裂隙密度是影響巖石單軸抗壓強度的重要因素之一。由圖4（a）可知，在臺階狀、霧狀以及根狀三種主要的微觀結構中，臺階結構的力學性質最好，根狀結構的力學性質最差；微裂隙密度越大，巖石試樣的根狀微觀結構分布越密集，對力學性質的影響越大，即隨微裂隙密度增大，巖石的抗壓強度大幅度降低。

2.2 微裂隙對單軸抗壓強度的影響

根據試驗數據及計算得到抗壓強度與微裂隙密度、微裂隙傾角關系變化規律，如圖5、圖6所示。由圖5可知，在微裂隙密度為0～0.010mm/條、0.010～0.020mm/條、0.020～0.035mm/條以及0.035～ 0.045mm/條，巖石試樣的抗壓強度隨微裂隙密度的增大而減小，且變化幅度較為明顯。由圖6可知，在微裂隙密度相同的情況下，微裂隙傾角的變化對多裂隙巖石材料的強度影響規律較為顯著，即抗壓強度隨微裂隙傾角的增大呈先減小后增大的變化規律?？傮w而言，單軸壓縮試驗條件下，含微裂隙巖石試樣的抗壓極限強度隨微裂隙傾角的增大呈逐漸增大的變化趨勢。

圖5 單軸抗壓強度與微裂隙密度的關系

圖6 單軸抗壓強度與微裂隙傾角的關系

2.3 微裂隙對彈性模量的影響

彈性模量是巖石材料變形規律研究的重要參數，根據試驗數據及計算得到巖石試樣的彈性模量隨微裂隙密度變化關系曲線如圖7所示。由圖7可知，在微裂隙密度為0～0.010mm/條、0.010～ 0.020mm/條、0.020～0.035mm/條以及0.0350.045mm/條，巖石試樣的彈性模量隨微裂隙密度的增大而減小，且變化幅度較為明顯。

圖7 彈性模量與微裂隙密度的關系

3 結論

（1）在單軸壓縮試驗中，白云巖的應力應變關系曲線為Ⅰ類曲線，微裂隙主要由根狀微觀結構控制。

（2）白云巖的單軸壓縮強度變化值為50.36～157.30MPa，彈性模量為21.86～66.71GPa，抗壓強度和彈性模量均隨微裂隙密度的增大而減小且微裂隙密度在0.010～0.020mm/條變化幅度最為明顯。

（3）隨微裂隙傾角的增大，抗壓強度先減小后增大，但在微裂隙傾角大于45°時，這種影響作用不明顯，表現為波動影響。

（4）根據試驗結果微裂隙密度、微裂隙傾角對巖石試樣的強度特性和彈性模量變化幅度影響較大。隨著微裂隙密度的增大，巖石試樣的單軸抗壓強度、彈性模量逐漸降低。

（5）文章只從宏觀力學的角度研究了微裂隙密度、微裂隙傾角對白云巖力學性質的影響，其具體的微觀破壞影響因素及力學破壞機理還有待進一步研究討論。