含孔洞-雙裂隙紅砂巖宏細觀損傷特征數值試驗研究

黃冬梅,朱盈盈,喬書昱,邢大千,王新照

(山東科技大學 安全與環境工程學院,山東 青島 266590)

巖石內部存在各種孔裂隙等宏細觀缺陷結構,地下巖體工程中應力會發生重分布,巖石中的孔隙與裂隙之間將進一步發生擴展、貫通破壞,對巖石的力學性質產生較大影響[1],會導致巖體滑坡等失穩破壞,科學地評價含缺陷巖石的破裂模式、力學特性等,對于巖體穩定性研究具有重要的實用價值[2]。因此,研究含孔洞裂隙巖體的破裂演化規律,可以更全面地掌握巖體的破壞模式和破壞機理。

含裂隙、孔隙等缺陷巖石的破壞模式是巖石力學領域研究的重要內容,對于石油以及煤礦的開采、巖體滑坡等均有工程意義。近年來,人們對含孔洞裂隙巖石的破裂演化過程進行了試驗與模擬研究[3-4]。邱加冬等[5-6]將試驗和模擬結合,研究孔洞缺陷對巖石強度的影響;劉紅巖等[7-8]結合室內試驗研究了不同含孔洞裂隙試樣的破裂演化過程;張恒等[9]運用離散元分析系統,結合室內試驗研究了含雙裂隙試樣在不同巖橋傾角條件下的破裂演化過程;王浩然等[10-11]通過數值模擬,對含孔洞裂隙砂巖的力學性質進行研究,并對其破裂模式進行研究;李楊楊等[12]采用物理模擬試驗的方法,制作復合缺陷類巖石試件,分析不同傾角對巖石裂紋擴展等的影響;王銳等[13]基于離散元理論,利用PFC3D數值模擬軟件對煤樣進行單軸壓縮和巴西劈裂模擬實驗,分析了煤樣宏細觀力學參數之間的關系;李守巨等[14]通過力學試驗確定細觀參數取值,并據此建立含缺陷巴西劈裂試件的PFC2D模型,提出了細觀參數的估計方法。

巖石內部具有各種不同形態的缺陷,前人對含單一孔洞、裂隙及孔洞裂隙簡單組合等幾何形態的巖石進行了研究與探討,而對于含單孔洞-雙裂隙紅砂巖在不同裂隙開度及傾角條件下的力學特性及損傷演化規律研究較少。為了進一步研究孔洞、裂隙組合形態的影響,本研究以新汶礦區紅砂巖為研究對象,建立含孔洞-雙裂隙幾何形態模型,通過室內試驗與PFC2D數值模擬結合的方法,對含孔洞-雙裂隙紅砂巖宏細觀損傷特征進行分析,研究在不同裂隙傾角及裂隙開度條件下,含孔雙裂隙紅砂巖力學參數、聲發射特征、破壞模式的變化規律,為巖體內部損傷破壞機理研究提供科學參考,對于地下工程巖體穩定控制具有理論借鑒意義。

1 單軸壓縮試驗

砂巖是一種沉積巖,主構穩定。從新汶煤田鄂莊煤礦選取了典型砂巖紅砂巖,顏色主要為紅色。將試樣加工為50 mm×100 mm的圓柱體,單軸壓縮試驗使用島津AGX-250電子萬能試驗機,如圖1所示。試驗得到其單軸抗壓強度、彈性模量分別為123.69 MPa、7.26 GPa。

圖1 單軸壓縮試驗

2 顆粒離散元模型構建

顆粒流程序(particle flow code,PFC)是采用離散元理論開發的數值軟件[15],在巖土領域用于模擬巖土材料力學性能[16]。

2.1 細觀參數標定與試驗驗證

本研究在PFC中建立與上述試樣等比例模型,如圖2所示。研究結果[17]表明,平行黏結能夠很好地反應巖石的力學行為,故采用PFC2D軟件中的平行黏結模型進行模擬分析。

圖2 試樣模型圖

本次模擬采用位移加載法,調參采用“試錯法”[18],表1為最終得到的細觀參數。由圖3可知,試驗結果與模擬值有較高吻合度,能夠再現紅砂巖的力學行為,因此采用PFC數值模擬研究不同裂隙傾角和開度對含孔雙裂隙砂巖力學參數、破裂模式等的影響。

表1 紅砂巖顆粒流模擬細觀參數

圖3 試驗與模擬結果對比圖

2.2 模型建立

通過刪除模型中設定的裂隙區域中的顆粒,在完整砂巖模型中制作含孔雙裂隙的試樣。采用PFC2D建立16個含孔洞雙裂隙巖體模型,模型裂隙長度a=16 mm,兩裂隙間距為24 mm,孔洞半徑為2.5 mm,并設置4不同的裂隙開度b,分別為1、2、3、4 mm,以及4種不同裂隙傾角α,分別為0°、30°、60°、90°,如圖4所示,具體工況如表2所示。

表2 模擬試驗條件

圖4 模型幾何尺寸示意圖

3 結果與分析

3.1 宏觀力學特征及聲發射特征演化分析

通過數值模擬實驗,分析紅砂巖加載過程中的力學參數和聲發射演化特征,根據力學參數的變化情況得出裂紋的萌生、擴展、演化發展規律。

3.1.1 宏觀力學特征分析

相較于不含缺陷的紅砂巖,含缺陷紅砂巖峰值強度和彈性模量均大幅度降低。以裂隙傾角為0°、裂隙開度1 mm為例,峰值強度降幅為31.7%,彈性模量降幅為16.5%,因此缺陷對砂巖的峰值強度和彈性模量具有明顯的劣化作用。圖5為峰值強度、彈性模量隨裂隙傾角、裂隙開度變化情況。

圖5 峰值強度、彈性模量隨裂隙傾角及裂隙開度的變化

如圖5(a)所示,隨著裂隙傾角的增加,峰值強度整體呈現逐漸增大的趨勢,整體增幅為55.9%;在裂隙開度大于1 mm時,隨著裂隙傾角的增加,其增高趨勢由平緩(增幅6.5%)到激增(增幅27.2%)再到平緩(增幅8.0%),說明在此開度下裂隙傾角由30°增加到60°時對峰值強度的影響較大。僅在裂隙開度為1 mm時,在開度的影響下,峰值強度隨裂隙傾角的增加其增高趨勢由平緩(增幅3.5%)到激增(增幅35.2%),但整體趨勢不變。由圖5(b)可以看出,峰值強度隨裂隙開度的變化幅度不超過18.5%,相較于裂隙傾角,在不同裂隙開度情況下峰值強度變化幅度較小。同樣的,彈性模量隨裂隙傾角、裂隙開度變化趨勢相似,彈性模量隨裂隙傾角的增加整體呈現逐漸增大的趨勢,且增幅達20.1%,彈性模量隨裂隙開度的增加變化幅度較小,僅為1.7%。因此砂巖的峰值強度和彈性模量與裂隙傾角間具有正相關關系,而裂隙開度的增加對試樣峰值強度和彈性模量影響較小。

3.1.2 聲發射振鈴計數演化分析

圖6為應力應變及聲發射關系曲線,根據聲發射數量,可以將聲發射過程分為3個階段。初始階段(I)聲發射事件幾乎為0,無裂紋產生,試樣內部顆粒開始擠壓,但未產生黏結破壞,此時應力應變曲線處于彈性階段;萌發階段(II)聲發射事件依然很少,但是有逐漸增加的趨勢,開始有少量裂紋生成,黏結出現少量破壞,此時應力應變曲線處于微裂紋穩定發展階段;擴展階段(III)發生大量黏結破壞及裂紋生成,伴隨著聲發射事件急速上升,試樣產生了無法恢復的變形破壞,此時應力應變曲線處于破裂階段。含孔洞裂隙砂巖聲發射事件可能存在一個或多個聲發射波動現象,這是因為在缺陷的影響下試樣未完全貫通而存在殘余應力,繼續加載,又會產生新的峰值。

圖6 應力-應變-聲發射關系曲線

對各試樣聲發射計數情況進行統計,如圖7所示。從圖7(a)可以看出,聲發射累計振鈴計數隨裂隙傾角的增大呈現先緩慢減少、后迅速增大的變化趨勢,在裂隙傾角為90°時累計振鈴計數增至1 761;圖7(b)顯示了累計振鈴計數隨裂隙開度的變化情況,隨著裂隙開度的增大,聲發射累計振鈴計數呈現先減小后增加再減小的變化趨勢。因此裂隙傾角及開度的增加對含孔洞雙裂隙紅砂巖聲發射的影響主要表現在聲發射頻率以及聲發射累計振鈴計數方面。

圖7 累計振鈴計數與裂隙傾角及裂隙開度關系圖

3.2 裂紋擴展細觀特征分析

3.2.1 裂紋數量演化規律分析

以裂隙開度2 mm為例,不同裂隙傾角紅砂巖裂紋數量變化曲線如圖8所示。隨著加載的進行,當裂隙傾角為0°時,裂紋萌發時先出現拉伸裂紋,試樣破壞過程中張拉裂紋明顯多于剪切裂紋,表明模型以拉伸破壞為主;當傾角為30°時,裂紋萌發階段剪切裂紋多于拉伸裂紋,兩者均呈階梯狀增加,在裂紋擴展階段,拉伸裂紋數量迅速超越剪切裂紋,拉、剪裂紋數量比大致為2∶1,表明模型主要以拉伸破壞為主;當傾角為60°時,裂紋萌發階段剪切裂紋多于拉伸裂紋,隨著加載的進行,拉伸裂紋數量逐漸超越剪切裂紋,表明模型主要以拉伸破壞為主;當傾角為90°時,剪切裂紋與拉伸裂紋數量相近,且同時發育擴展,模型以拉剪混合破壞為主。試驗表明,隨著裂隙傾角的增加,剪切裂紋數量逐漸增加至與拉伸裂紋相近,破裂模式也由拉伸破壞變為拉剪混合破壞。

圖8 裂隙開度2 mm下不同裂隙傾角紅砂巖裂紋數量變化曲線

以裂隙傾角60°為例,不同裂隙開度紅砂巖裂紋數量變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出,不同裂隙開度試樣的初始裂紋均主要為剪切裂紋。隨著加載的進行,拉伸裂紋數量開始增多,逐漸超越剪切裂紋數量并占主導地位,表明4種開度的砂巖破裂模式均為拉伸破壞。

圖9 裂隙傾角60°下不同裂隙開度紅砂巖裂紋數量曲線

以裂隙開度2 mm、傾角0°試樣為例,以試樣內部顆粒位移所指方向確定試樣的裂紋類型,如圖10(a)所示,可以看出裂紋為同一方向向兩邊發散擴展,表明試樣主要為拉伸破壞。以裂隙開度2 mm、傾角90°試樣為例,如圖10(b)所示,可以看出裂紋既有同一方向向兩邊發散擴展的,也有反方向擴展的,表明試樣主要為拉剪混合破壞,分析結果與上述一致。

圖10 不同工況模型位移場分布

3.2.2 不同裂隙傾角裂紋擴展細觀特征分析

將相同裂隙開度和不同裂隙傾角的試樣進行比較,可以清楚地看出不同裂隙傾角對紅砂巖破壞模式的影響。對比裂隙開度為2 mm的不同試樣,如圖11所示,圖中數字表示主裂紋、非主裂紋的萌生順序,不同的顏色代表不同的塊體。

圖11 裂隙開度2 mm時不同裂隙傾角的紅砂巖破裂模式

由圖11可知,在相同裂隙開度下,當傾角為0°時,在下方裂隙尖端萌生出反翼型裂紋1和翼型裂紋2;繼續加載,裂紋2擴展形成崩落區,最終與裂紋1匯合形成拉伸破裂,上方裂隙并未參與主裂紋的形成。當裂隙傾角為30°時,試樣上部裂隙尖端同時萌生翼型裂紋1,并沿著應力加載方向繼續擴展;隨著加載進行,斜次生裂紋2繼續向下擴展,與裂紋1匯合,且兩裂隙間形成近似正方形的破裂體,最終形成拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當裂隙傾角為60°時,由于初始裂紋2和反翼型裂紋3在下部裂隙兩尖端萌發后繼續向上下端擴展,分別與裂紋2#、1#匯合,形成橢圓形崩落區,最終導致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當裂隙傾角為90°時,試樣上部分孔洞裂隙發生崩落擠壓變形,左邊緣萌發斜次生裂紋2和翼型裂紋1;繼續加載隨即產生次生裂紋1#和遠場裂紋4#并擴展匯合,最終裂紋2、裂紋1#與裂紋1匯合形成拉剪混合破裂,但下方裂隙未參與主裂紋的形成。

由圖11中還可看出,當紅砂巖傾角為0°時,破碎程度較大,且僅一條裂隙參與主裂紋的形成;當傾角為0～90°時,試樣兩裂隙間會產生崩落區,且兩裂隙均參與主裂紋的形成;當砂巖傾角為90°時,僅一條裂隙參與主裂紋的形成。因此,當裂隙水平或垂直時,僅有一條裂隙參與主裂紋的形成;當裂隙非水平或垂直時,兩裂隙之間產生崩落區,且均參與主裂紋的形成。

3.2.3 不同裂隙開度裂紋擴展細觀特征分析

將相同裂隙傾角和不同裂隙開度的試樣進行比較,可以清楚地看出裂隙開度對紅砂巖破壞模式的影響。以裂隙傾角為60°試樣為例進行比較,圖12所示。由圖12可知,在相同裂隙傾角下,裂隙開度為1 mm時試樣由于裂隙開度很小,因此在力作用下裂隙上下面產生閉合現象,上下面之間產生摩擦力,導致上方翼型裂紋1#未繼續擴展,而下方裂隙在加載的壓力下產生翼型裂紋1和共面次生裂紋2,并向上下端繼續擴展,導致拉伸破壞,兩裂隙間產生崩落區,破碎程度較小,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當裂隙開度為2 mm時,由于初始裂紋2和反翼型裂紋3在下部裂隙兩尖端萌發后繼續向上下端擴展,分別與裂紋2#、1#匯合,形成橢圓形崩落區,最終導致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當裂隙開度為3 mm時,上方裂隙的翼型裂紋和反翼型裂紋擴展,并與下方翼型裂紋匯合導致試樣拉伸破壞。當裂隙開度為4 mm時,上下兩裂隙的翼型和反翼型裂紋擴展匯合,并向上下兩面繼續擴展,導致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成,破碎程度較大。

圖12 裂隙傾角60°時不同裂隙開度的紅砂巖破裂模式

因此,隨著裂隙開度的增大,砂巖試樣的破碎程度逐漸增大,除裂隙開度為1 mm時因開度太小導致裂隙閉合未形成崩落區外,其余試樣均產生崩落區,且崩落區范圍逐漸增大,4種開度砂巖裂隙均參與主裂紋的形成,其破裂模式較為相似。

4 結論

1) 紅砂巖的力學參數與裂隙傾角、開度密切相關。缺陷的存在對紅砂巖的峰值強度和彈性模量均有明顯劣化作用,砂巖的峰值強度、彈性模量與裂隙傾角具有正相關關系,裂隙開度的增加對砂巖峰值強度和彈性模量變化幅度影響較小。紅砂巖破壞過程中,隨著裂隙傾角的增大,聲發射累計振鈴計數呈現前期緩慢減少、后期迅速增大的變化趨勢;隨著裂隙開度的增大,聲發射累計振鈴計數呈現先減小后增加再減小的變化趨勢。

2) 隨著裂隙傾角的增加,剪切裂紋數量逐漸增加至與拉伸裂紋相近,破裂模式也由拉伸破壞變為拉剪混合破壞;4種不同開度的紅砂巖初始裂紋均主要為剪切裂紋,隨著加載的進行,拉伸裂紋超越剪切裂紋數量并占主導地位,破裂模式均為拉伸破壞。

3) 裂隙的存在會改變原有紅砂巖的破壞模式,當裂隙傾角水平或垂直時,僅有一條裂隙參與主裂紋的形成,當裂隙傾角非水平或非垂直時,兩裂隙之間產生崩落區,且均參與主裂紋的形成;隨著裂隙開度的增大,砂巖試樣的破碎程度逐漸增大,除裂隙開度為1 mm時因開度太小導致裂隙閉合未形成崩落區外,其余試樣均產生崩落區,且崩落區范圍逐漸增大,4種開度砂巖裂隙均參與主裂紋的形成,其破裂模式較為相似。