內(nèi)置單裂隙相似材料巖樣 破壞特性及電阻率變化特性試驗(yàn)研究

趙智宏，于雨恒，于鑫宇，周嘉敏，韓佳康，賈 蓬

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

隨著深部巖體工程的發(fā)展，深部含裂隙巖體的破壞機(jī)制和災(zāi)前預(yù)測(cè)逐漸發(fā)展成為目前工程地質(zhì)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。自然巖石屬于非均質(zhì)材料，其內(nèi)部廣泛含有各種原生節(jié)理、裂隙，在經(jīng)過加卸載等工程擾動(dòng)后，巖體的力學(xué)特性將不由巖石所決定，而是由內(nèi)部所包含的裂隙和節(jié)理等決定，其變形破壞過程也可以歸結(jié)為內(nèi)部所含微裂隙的擴(kuò)展、聚合和貫通等導(dǎo)致內(nèi)部損傷逐漸積累而失去承載力的過程[1]。在巖石破裂過程中，其力學(xué)參數(shù)和電阻率會(huì)發(fā)生顯著性變化，由于原位試驗(yàn)的復(fù)雜性，關(guān)于巖體裂隙擴(kuò)展及損傷破裂特性的研究一般通過室內(nèi)試驗(yàn)開展。

李術(shù)才等[2]采用試驗(yàn)手段研究了含內(nèi)置三維裂隙類巖石材料在拉伸作用下的力學(xué)性能和斷裂特性，并且在試驗(yàn)中觀察到了內(nèi)置裂隙長(zhǎng)軸產(chǎn)生的包裹狀翼裂紋以及短軸附近的扭結(jié)區(qū)破壞；郭彥雙、付金偉、朱維申等[3- 5]采用類巖石透明樹脂材料，脆性特性有了大幅提高，更接近巖石，研究了不同加載條件下裂隙擴(kuò)展和試件破裂規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，并且在裂隙試件觀察到了似包裹狀破裂、花瓣形裂紋與預(yù)制裂隙輪廓的搭接貫通現(xiàn)象。

對(duì)于巖石破裂過程電阻率變化規(guī)律的研究，李德春[6]等對(duì)傳統(tǒng)電阻率測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)，并觀測(cè)了巖樣受壓至破壞過程中的電阻率變化規(guī)律，得到不同巖性巖石的電阻率和壓力的關(guān)系曲線。陳耕野[7]研究了巖石應(yīng)力的電學(xué)效應(yīng)及其斷裂演化規(guī)律，其試驗(yàn)結(jié)果表明巖石內(nèi)部裂隙的變化會(huì)引起巖石電阻的改變，所有電阻-應(yīng)變曲線都存在一個(gè)巖石電阻最小值，并對(duì)應(yīng)巖石開裂應(yīng)力。仇海生[8]對(duì)受載煤巖進(jìn)行了電阻率-聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，證實(shí)了電阻率變化和煤巖內(nèi)部裂隙形成、擴(kuò)展和貫通密切相關(guān)。Wang[9]采用電阻率和聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試手段，根據(jù)巖石在損傷過程中電阻率與彈性模量的變化關(guān)系，得到不同損傷狀態(tài)下巖石電阻率與損傷變量的關(guān)系。Chen[10]等建立了負(fù)載型煤的電阻率實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試和分析了在全應(yīng)力應(yīng)變過程中電阻率響應(yīng)及其機(jī)制規(guī)律，得到了由膨脹引起的電阻率變化的前兆信息，為通過電阻率法預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)煤巖體動(dòng)力災(zāi)害打下基礎(chǔ)。李術(shù)才[11]等通過對(duì)單軸壓縮下含單裂隙巖石破壞過程的電阻率和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，表明了巖石破壞過程中電阻率信號(hào)和聲發(fā)射信息具有較強(qiáng)的規(guī)律性和互補(bǔ)性。

為研究單軸加載下不同傾角內(nèi)置三維裂隙巖樣在破壞過程中的力學(xué)參數(shù)以及電阻率變化特征，本文采用相似材料通過預(yù)埋薄片法預(yù)制內(nèi)部三維裂隙試件，通過四級(jí)法實(shí)時(shí)測(cè)試電阻率，探討了內(nèi)置裂隙傾角對(duì)巖樣破壞模式、力學(xué)特性以及電阻率特征的影響，得出了不同裂隙傾角巖樣力學(xué)性能變化及電阻率變化特性，為實(shí)際工程提供參考。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試件制作

相似材料的選擇和試件制備：在參考前人的基礎(chǔ)上，選取了以水泥、天然河砂、減水劑、水制作相似材料巖樣，其中，河砂子作為骨料，PO32.5普硅水泥當(dāng)做膠結(jié)劑，減水劑用于減少水的用量，盡量減小試件的干縮效應(yīng)，同時(shí)改善水泥砂漿拌合時(shí)的稠度，易于澆筑。配合比為水泥∶中砂∶高效減水劑∶水=1∶2.34∶0.01∶0.45。按照以上配比制作含預(yù)制裂隙試件和完整試件，采用預(yù)埋薄片法預(yù)制內(nèi)部裂隙，預(yù)制裂隙與水平方向夾角為α，制作完畢后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天。按巖石力學(xué)規(guī)范要求測(cè)試試件的單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

(1)加載設(shè)備：3000kN巖石剛度試驗(yàn)機(jī)。本系統(tǒng)主要用于進(jìn)行巖石及混凝土材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：?jiǎn)屋S加載、巴西劈裂、直剪以及試樣的雙向加卸載試驗(yàn)、廣泛用于科研、巖石(混凝土)材料的力學(xué)性能測(cè)試、教學(xué)等領(lǐng)域。

(2)電阻率測(cè)試：采用多通道電流電壓實(shí)時(shí)無紙記錄儀。通過變壓器及交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為24V直流電壓，并施加于A和M點(diǎn)，在M、N處分別測(cè)量電壓值。其間距為100mm，裂隙長(zhǎng)軸延伸方向?yàn)?、4面，2面為澆筑面，不進(jìn)行電阻率測(cè)試，在4面進(jìn)行布置電極測(cè)試電阻率。無紙記錄儀可以實(shí)時(shí)記錄各面電壓值和電流值。用電壓除以電流即可得出各面電阻。電阻率計(jì)算公式為：

(1)

式中，ρ—試件M、N截面的電阻率；R—試件的M、N兩處的電阻值；S—試件的豎向截面面積；L—試件M、N之間的長(zhǎng)度。

2.3 試驗(yàn)流程

(1)在巖石試塊上貼電極片、焊接導(dǎo)線，導(dǎo)線連接好后浸入水中并真空抽氣3～5h。

(2)取出巖樣擦除表面殘留水分并及時(shí)用凡士林或者蠟?zāi)みM(jìn)行表面封水處理。

(3)連接無紙記錄儀，并將所述巖石試塊放置壓力機(jī)上。

(4)記錄此時(shí)無紙記錄儀所顯示的初始值和時(shí)間，并啟動(dòng)壓力機(jī)開始試驗(yàn)。

(5)無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄電壓電流值，直至試樣被壓壞，記錄破壞時(shí)間，數(shù)據(jù)處理得到相關(guān)曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 相似材料參數(shù)

類巖石材料基本物理力學(xué)參數(shù)與真實(shí)砂巖對(duì)比見表1。

表1 類巖石材料基本物理力學(xué)參數(shù)與真實(shí)砂巖對(duì)比

由表1可見本試驗(yàn)采用相似巖樣物理力學(xué)參數(shù)和真實(shí)砂巖具有一定的相似性。

3.2 巖樣破壞特性分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過圖2可以看出，在單軸受壓情況下，含預(yù)制裂隙巖樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量均發(fā)生顯著降低，這與采用RFPA3D數(shù)值模擬所得試驗(yàn)結(jié)果基本一致[12]。完整巖樣峰值強(qiáng)度為35.48MPa，0°裂隙試件峰值強(qiáng)度為13.51MPa，相比完整試件下降幅度為61.92%，30°裂隙試件峰值強(qiáng)度為14.45MPa，下降幅度為59.27%，45°裂隙試件峰值強(qiáng)度為17.14MPa，下降幅度為51.69%，60°裂隙試件峰值強(qiáng)度為20.66MPa，相比完整試件下降幅度為41.77%，90°裂隙試件峰值強(qiáng)度為23.44MPa，下降幅度為33.93%。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)預(yù)制三維裂隙會(huì)導(dǎo)致試件強(qiáng)度發(fā)生劣化，當(dāng)裂隙與水平方向夾角較小時(shí)對(duì)試件峰值強(qiáng)度影響較大，當(dāng)預(yù)制裂隙為90°時(shí)對(duì)試件影響相對(duì)較小，這是因?yàn)?0°裂隙存在導(dǎo)致試件分成兩部分，存在“多柱狀”承載結(jié)構(gòu)，試件強(qiáng)度相比其他角度裂隙較高。

彈性模量總體變化與峰值強(qiáng)度一致，如圖3所示。彈性模量隨傾角增大整體呈上升趨勢(shì)，完整巖樣彈性模量為5.63GPa，0°裂隙試樣為2.08GPa，與完整巖樣相比下降幅度為63.06%，30°裂隙試件為1.75GPa，下降幅度為68.92%，45°裂隙試件為1.11GPa，下降幅度為80.24%，60°裂隙試件彈性模量為3.20GPa，相比完整試件下降43.16%，90°裂隙試件為2.22GPa，下降幅度為60.57%；從變形能力上來說45°裂隙試件變形較大，此時(shí)試件摩擦力較大，試件變形能力強(qiáng)。由此可見裂隙角度對(duì)峰值強(qiáng)度和彈性模量影響均較大，巖樣中存在裂隙時(shí)其強(qiáng)度和彈模等參數(shù)以及穩(wěn)定性將由裂隙控制。

圖3 峰值強(qiáng)度與彈性模量隨傾角變化

巖樣實(shí)際破壞模式及素描圖如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，裂隙傾角對(duì)試件破壞模式具有顯著影響。裂隙傾角在0°～90°變化時(shí)試件主要呈現(xiàn)出三種破壞模式：沿預(yù)制裂隙面的剪切破壞模式、和預(yù)制裂隙面呈一定角度的拉剪復(fù)合模式以及張拉破壞模式。完整相似巖樣加載初期變形較小，雖然涂油會(huì)減弱端部效應(yīng)，但是其依舊存在，其端部會(huì)首先形成微小裂紋，其起裂方向均平行于最大主應(yīng)力方向，荷載繼續(xù)增加，裂隙數(shù)目和長(zhǎng)度逐漸增加并逐漸聯(lián)通，試件破壞受兩條主要裂紋控制，試件發(fā)生張拉破壞。

0°裂隙試件裂隙面與最大主應(yīng)力方向垂直，破壞模式和完整試件較為類似。30°傾角試件受到剪切和拉伸作用，但拉伸作用較強(qiáng)，表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞。45°傾角試件裂隙兩側(cè)巖塊抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，其裂隙位置和擴(kuò)展方向沿預(yù)制裂隙方向，可以認(rèn)為剪切破壞模式，試件表面發(fā)生剝落。60°試件和30°試件較為相似，發(fā)生拉剪復(fù)合破壞，但拉伸作用較強(qiáng)。90°裂隙試件在裂隙位置首先開裂，荷載由兩側(cè)巖塊承擔(dān)，試件在壓應(yīng)力作用下發(fā)生張拉破壞，最后形成三條主裂紋。

圖4 巖樣實(shí)際破壞模式及素描圖

3.3 巖樣破壞過程電阻率變化分析

以加載過程中的應(yīng)力和峰值應(yīng)力百分比作為橫軸，以加載過程中的電阻率和初始電阻率比百分?jǐn)?shù)作為Y軸建立圖像，如圖5所示。其展示了不同角度裂隙巖樣破壞過程中電阻率隨應(yīng)力變化特征，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，完整巖樣、30°傾角巖樣和45°傾角試件電阻率變化較為一致，在加載過程中呈現(xiàn)出先下降后上升趨勢(shì)，60°、90°傾角試樣呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)，而0°傾角試樣在受載過程中一直處于下降階段。

內(nèi)置裂隙巖樣受載過程中電阻率會(huì)存在一個(gè)突變點(diǎn)，完整裂隙巖樣電阻率突變點(diǎn)約為峰值應(yīng)力的70%左右，0°、30°試樣突變點(diǎn)為峰值應(yīng)力的60%左右，45°傾角電阻率突變點(diǎn)約為峰值應(yīng)力88%左右，60°試件電阻率突變點(diǎn)約為峰值應(yīng)力水平的38%，90°為峰值應(yīng)力水平的15%。這是由于巖樣各面非均勻性導(dǎo)致的。電阻率變化與裂隙的擴(kuò)展和

貫通密切相關(guān)，0°～45°傾角試件壓密階段較長(zhǎng)，電阻率會(huì)呈現(xiàn)出下降段，而60°和90°張拉破壞明顯。沒有初始電阻率下降階段。

4 結(jié)論

本文采用相似材料，通過預(yù)埋薄片法預(yù)制含內(nèi)部三維裂隙試件，采用四極法實(shí)時(shí)測(cè)試電阻率，探討了內(nèi)置裂隙傾角對(duì)巖樣破壞模式、力學(xué)特性以及電阻率特征的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)內(nèi)置裂隙的存在對(duì)試件峰值強(qiáng)度和彈性模量有一定的劣化作用，隨著預(yù)制裂隙與水平方向角度增加，試件峰值強(qiáng)度和彈性模量整體上呈現(xiàn)出逐漸增加趨勢(shì)。

(2)預(yù)制裂隙試件起裂位置位于裂隙尖端附近，說明裂隙尖端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終破裂呈現(xiàn)出包裹狀破裂，完整試樣、0°傾角和90°傾角試件表現(xiàn)為拉伸破壞，45°裂隙試件表現(xiàn)為剪切破壞，30°傾角和60°傾角表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞模式。

(3)電阻率可以反應(yīng)裂隙巖樣損傷破裂演化特征，不同角度裂隙電阻率變化存在差異性，材料的非均勻性對(duì)巖樣電阻率有顯著影響，以破壞過程中電阻率和初始電阻率比值與應(yīng)力-應(yīng)變建立關(guān)系進(jìn)行分析較好。

圖5 不同角度裂隙巖樣應(yīng)變-應(yīng)力-電阻率關(guān)系