紅砂巖中不同深度表面裂隙的破裂模式研究

陸永龍

（新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊 830046）

裂隙在自然界的巖體中廣泛存在，初始裂隙在外力的情況下會(huì)發(fā)展，初始裂縫的膨脹滲透形成滲流通道以及裂隙之間的相互貫通，使得巖體的強(qiáng)度下降，容易造成重大的災(zāi)害，比如滑坡等。針對(duì)于這些存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，如王國(guó)艷探求了初始裂隙傾角對(duì)巖石損傷裂斷特征的影響[1]。張仕林[2]、趙國(guó)彥[3]等研究了單軸壓縮下不同預(yù)制裂隙對(duì)巖石力學(xué)行為的影響，研究表明含不同孔洞裂隙的試樣的力學(xué)參數(shù)均顯著低于完整巖樣。陳宇龍等對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在層理面與表面的交界處[4]。

各種裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通過(guò)程、方向和性質(zhì)是巖石微觀破壞研究的重點(diǎn)[5-7]。這些研究為巖體穩(wěn)定及工程防災(zāi)提供了重要指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)。王笑然等借助聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段，對(duì)巖石受載內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展及其震源機(jī)制進(jìn)行反演，認(rèn)識(shí)到宏觀裂紋擴(kuò)展過(guò)程的非線性斷裂力學(xué)行為[8]。本研究選用紅砂巖進(jìn)行試驗(yàn)，先對(duì)紅砂巖進(jìn)行裂隙的預(yù)制，再對(duì)巖樣進(jìn)行單軸壓縮，觀察加載后試樣的裂紋破壞情況，對(duì)于實(shí)際工程中的巖石破壞模式有一定的指導(dǎo)意義。

1 含表面裂隙試件的制作

實(shí)驗(yàn)選用紅砂巖為研究對(duì)象，主要成分為長(zhǎng)石和石英，部分成分為高嶺石和綠泥石，含有少量的方解石、伊利石和伊蒙混層等組成。顆粒粒徑大小均勻，結(jié)構(gòu)致密。

試樣尺寸為50 mm×100 mm（直徑×高度）的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，用直徑為Φ20 mm 的圓形切割刀具在試樣表面預(yù)制出表面裂隙，預(yù)制裂隙上下面間距為2 mm，角度水平，根據(jù)切割深度的不同，將試樣分為六組，為了避免個(gè)別試樣出現(xiàn)極端情況，同一深度的預(yù)制裂隙準(zhǔn)備三個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，切割深度d 分別為0 mm（完整試樣）、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm，見(jiàn)圖1（a）。所有試樣上下端面經(jīng)過(guò)打磨機(jī)打磨，保證兩個(gè)加載面的平行度滿足試驗(yàn)規(guī)程規(guī)范要求。

圖1 預(yù)制裂隙試樣

2 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)采用DSZ-1000 應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，該儀器最大軸向力為1 000 KN。試驗(yàn)過(guò)程采用位移加載的方式，速率為0.1 mm/min。加載之前，在巖石試樣上下端面放置剛性墊塊，并在巖樣兩端涂抹凡士林以減小端部摩擦效應(yīng)。紅砂巖脆性較高，在加載過(guò)程中試樣容易突然崩壞，試樣表面會(huì)有部分巖石脫落，并且可能發(fā)生巖石試樣直接壓壞而散落，在加載之前用膠套將試樣套住，并用熱風(fēng)機(jī)將膠套吹緊使其貼緊試樣，在加載完成后能很好的觀察巖石試樣的裂紋情況。在加載過(guò)程中，通過(guò)軸向傳感器和徑向傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)得軸向應(yīng)變及徑向應(yīng)變。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同深度裂隙砂巖強(qiáng)度和變形特性分析

圖2 為不同深度預(yù)制裂隙試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖和力學(xué)參數(shù)變化特征，我們選取了其中一組比較具有代表性的試樣，可以看出軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間存在明顯差異，表明不同深度的裂隙對(duì)巖石的力學(xué)行為影響較大，隨著裂隙深度的增加，試樣的峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，完整的砂巖試樣峰值強(qiáng)度最高，達(dá)到了94.64 Mpa，其經(jīng)歷了壓密階段，彈性階段，屈服階段，破壞階段以及峰后應(yīng)力跌落階段，在到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，應(yīng)力迅速跌落，這體現(xiàn)了砂巖典型的脆性特征，而后應(yīng)力呈線性下降到零，采用位移控制的方式在巖石破壞后，壓頭并不會(huì)馬上停止，而是繼續(xù)向下移動(dòng)，造成峰值強(qiáng)度之后應(yīng)力曲線呈線性減小到零，而此時(shí)軸向應(yīng)變隨著壓后的下降，會(huì)繼續(xù)增大。當(dāng)軸向位移超過(guò)設(shè)定的警告線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束此次試驗(yàn)。

圖2 不同深度裂隙的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

巖石試樣的彈性模量隨著預(yù)制裂隙深度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，見(jiàn)圖3，在裂隙深度為5 mm、10 mm、15 mm 時(shí)下降的幅度較小，其彈性模量平均值分別為21.25 Gpa、19.79 Gpa、19.41 Gpa，為完整試樣彈性模量的92.4%、86.3%、84.7%，我們發(fā)現(xiàn)裂隙為5 mm 時(shí)其中一個(gè)試樣的彈性模量比完整試樣彈性模量有略微的增大，事后檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)造成這樣的原因是由于安裝傳感器時(shí)沒(méi)有扭緊，軸向傳感器在試驗(yàn)過(guò)程中有略微的彎曲導(dǎo)致測(cè)得的軸向應(yīng)變比實(shí)際應(yīng)變要小，裂隙深度為20 mm、25 mm 時(shí)試樣彈性模量平均值為12.21 Gpa、7.2 Gpa，只有完整試樣的53.2%、31.4%，下降幅度非常明顯。由彈性模量與裂隙深度的擬合曲線知，彈性模量隨著裂隙深度的增加也呈現(xiàn)二次拋物線形式的降低。

圖3 彈性模量與裂隙深度相關(guān)性擬合曲線

結(jié)合圖4 軸向與徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可知，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)至峰值強(qiáng)度之間，試樣的軸向應(yīng)變的增加遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)變的增加，試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，軸向應(yīng)力會(huì)突然跌落，應(yīng)變基本沒(méi)有變化，而徑向表現(xiàn)為徑向應(yīng)力緩慢減小，徑向應(yīng)變快速增加，其中10 mm 深度裂隙試樣在加載過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到63 Mpa 時(shí)徑向應(yīng)變快速增加，應(yīng)力保持不變，隨后應(yīng)力繼續(xù)上升到峰值后出現(xiàn)第二次應(yīng)變快速增加，出現(xiàn)該情況的原因是因?yàn)閺较騻鞲衅靼惭b在預(yù)制裂隙處，在加載到63 Mpa 時(shí)試樣在預(yù)制裂隙上方有微裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)致試樣裂隙上方產(chǎn)生較大的徑向變形，從而使徑向傳感器采集的數(shù)值增大。

圖4 軸向與徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 預(yù)制裂隙試樣宏觀破壞模式分析

圖5 為不同深度預(yù)置裂隙砂巖試樣加載破壞后的宏觀圖，我們選擇了其中一組比較有代表性的試件，由圖5 可以看出所有預(yù)制裂隙試樣加載后破壞面均與預(yù)制裂隙相貫通，這是因?yàn)樵陬A(yù)制裂隙與巖石交接處發(fā)生了應(yīng)力集中，試樣會(huì)先從該處發(fā)生破壞，這與理論分析的情況一致。完整砂巖在單軸壓縮下的破壞模式為劈裂拉破壞，在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，巖石會(huì)發(fā)出短暫且劇烈的崩壞聲，隨后應(yīng)力開(kāi)始跌落，徑向應(yīng)變開(kāi)始快速增加，表明此時(shí)巖石已經(jīng)破壞。

圖5 不同深度裂隙試樣加載后裂紋情況

5 mm 深度裂隙試樣為劈裂破壞，在預(yù)置裂隙兩側(cè)產(chǎn)生兩條翼裂紋，并且在試件上端部有部分巖石被壓碎而“隆起”，其他部位沒(méi)有明顯的裂紋產(chǎn)生，兩條翼裂紋為主裂紋，沿著試件上表面貫通至下表面，在沿著兩條主裂紋路徑表面有部分巖石皮脫落，巖石試件產(chǎn)生劈裂破壞。10 mm 預(yù)置裂隙試件破壞模式為劈裂破壞和剪切破壞組合，破壞后產(chǎn)生兩條翼裂紋，均為拉伸裂紋，右側(cè)翼裂紋下方的反翼裂紋為剪切裂紋，長(zhǎng)度約為翼裂紋的一半，主裂紋為兩條翼裂紋。

15 mm、20 mm 試件為剪切破壞和劈裂破壞的組合破壞，裂紋依然由翼裂紋和反翼裂紋構(gòu)成，翼裂紋大部分為剪切裂紋，少部分為拉伸裂紋，反翼裂紋逐漸成為主裂紋。25 mm 試件只在預(yù)制裂隙上方產(chǎn)生剪切破壞，裂紋為一條翼裂紋加一條反翼裂紋，均為剪切裂紋，破壞模式比較單一。

隨著預(yù)制裂隙深度的增加，試件逐漸從劈裂破壞轉(zhuǎn)向剪切破壞，萌生的裂紋均和預(yù)制裂隙兩側(cè)相連接，見(jiàn)圖6，當(dāng)預(yù)制裂隙深度較小時(shí)，破壞裂紋與預(yù)制裂隙之間的夾角θ 約為90°，隨著d 的增加，角度θ 有略微的減小，當(dāng)d 為25 mm 時(shí)，角度突變?yōu)殁g角，θ 約為130°。

圖6 巖石裂紋示意

4 結(jié)論

（1） 紅砂巖作為一種脆性材料，在單軸壓縮下呈現(xiàn)軸向劈裂破壞，紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著水平預(yù)制裂隙深度的增加呈二次拋物線形式降低。（α=0.4 時(shí)峰值強(qiáng)度僅為完整試樣峰值強(qiáng)度的一半，α=0.5 時(shí)峰值強(qiáng)度不到完整試樣的三分之一）。

（2） 隨著預(yù)制裂隙深度的增加，紅砂巖試樣破裂模式從軸向劈裂破壞逐漸向剪切破壞轉(zhuǎn)變，完整試樣為劈裂破壞，預(yù)制裂隙深度d 較小時(shí)為劈裂破壞與剪切破壞的組合破壞模式，d 為25 mm 時(shí)試樣為剪切破壞。

（3） 巖石加載后主裂紋與預(yù)制裂隙之間的角度θ隨著α 的增加先減小后增加，α 較小時(shí)θ 為接近90°的銳角，當(dāng)α 為0.5 時(shí)θ 突變?yōu)榧s130°的鈍角。說(shuō)明預(yù)制裂隙深度達(dá)到一定值時(shí)巖石破裂面角度會(huì)產(chǎn)生突變。

（4） 巖石內(nèi)有裂隙或孔洞的位置處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，受力面積變化越大應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，這對(duì)巖石的受力是十分不利的，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。