周亞楠，朱泉企，李地元，馬春德, 2

含充填橢圓形孔洞砂巖力學(xué)破壞特性試驗(yàn)研究

周亞楠1，朱泉企1，李地元1，馬春德1, 2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 高等研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為研究充填物力學(xué)性能對(duì)含橢圓形孔洞巖石力學(xué)破壞特性的影響，通過(guò)在預(yù)制孔洞內(nèi)填充不同配比的水泥砂漿，對(duì)含充填橢圓形孔洞板狀砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并借助聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)記錄并分析試樣的破裂過(guò)程和裂紋擴(kuò)展特征。研究結(jié)果表明：含橢圓形孔洞試樣的強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)于完整試樣分別降低了24.45%和23.05%，而充填后試樣的起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力和彈性模量均有所提高，且提升幅度隨充填物本身力學(xué)性能的增強(qiáng)而增大。充填作用對(duì)巖樣的裂紋起裂、擴(kuò)展及最終破壞形態(tài)的影響也很明顯，含橢圓形孔洞試樣的破壞模式隨充填物力學(xué)性能的增強(qiáng)由拉伸破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。通過(guò)將聲發(fā)射技術(shù)與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用，能夠建立起巖石宏觀力學(xué)響應(yīng)與細(xì)觀力學(xué)行為之間的關(guān)系。

巖石力學(xué)；充填孔洞；力學(xué)特性；破壞過(guò)程；數(shù)字圖像相關(guān)；聲發(fā)射

在自然環(huán)境中，巖石內(nèi)存在大量的孔隙缺陷及充填膠結(jié)物等非線性材料，在外荷載作用下由于局部應(yīng)力集中裂紋從缺陷周邊開(kāi)始起裂、聚合、擴(kuò)展及相互貫通，最終影響材料的損傷演化及破壞形態(tài)[1]。在許多人造工程中也常用到水泥、混凝土等工程材料進(jìn)行填充，如隧道圍巖的注漿加固和結(jié)構(gòu)面的充填治理等[2?3]。因此，對(duì)含缺陷及充填缺陷巖樣的力學(xué)破壞特性進(jìn)行研究一直是巖石力學(xué)屆關(guān)注的熱點(diǎn)之一。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)含孔洞巖石的破裂規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。Kobayashi等[4]使用光彈材料開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，研究了含單個(gè)孔洞試樣的裂紋擴(kuò)展情況，以及孔洞與裂紋的相互作用機(jī)制；Lajtai等[5]對(duì)石膏材料進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，研究了孔洞周邊裂紋演變過(guò)程和相互作用機(jī)理；Carter等[6]對(duì)含單一圓形孔洞巖石的破裂過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在低圍壓下圓孔周邊裂紋主要包含主拉伸裂紋、次生裂紋和剪切裂紋。隨后，國(guó)內(nèi)一批學(xué)者對(duì)含預(yù)制孔洞的巖石類脆性材料進(jìn)行了許多室內(nèi)試驗(yàn)，如楊圣奇等[7]結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對(duì)含孔洞裂隙砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖樣的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射分布受缺陷分布的影響；李地元等[8]通過(guò)對(duì)雙側(cè)預(yù)制方形孔洞試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了含雙側(cè)大孔洞試樣的力學(xué)響應(yīng)和變形破壞規(guī)律，并利用FLAC3D進(jìn)一步驗(yàn)證了試樣塑性破壞單元以拉伸破壞為主；朱譚譚等[9]對(duì)預(yù)制雙圓形孔洞的板狀砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，主要研究了孔心距和傾角對(duì)砂巖強(qiáng)度、變形特征及破裂演化過(guò)程的影響規(guī)律；杜明瑞等[10? 11]通過(guò)對(duì)含單一橢圓形孔洞板狀砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了橢圓形長(zhǎng)短軸比及長(zhǎng)軸與軸向荷載間夾角對(duì)試樣強(qiáng)度及變形破壞特征的影響規(guī)律。然而，目前關(guān)于含充填孔洞方面的研究并不多，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)與沒(méi)有充填的缺陷相比，缺陷周邊的應(yīng)力集中程度會(huì)由于充填物的影響而有所降低，且充填物自身也具備一定的承載能力，這些都會(huì)對(duì)巖石的力學(xué)特性和破裂過(guò)程產(chǎn)生影響[12?16]。因此，研究含充填孔洞巖石的力學(xué)特性和破裂機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。Janeiro等[16]對(duì)含充填孔洞石膏試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，利用高速相機(jī)記錄孔洞周邊的破裂過(guò)程隨孔洞形狀和充填情況的變化規(guī)律，但充填物內(nèi)部的裂紋行為和非協(xié)調(diào)變形破壞機(jī)制仍不清楚，充填作用機(jī)理仍需進(jìn)一步探索。有鑒于此，本文通過(guò)在預(yù)制橢圓形孔洞中填充2種不同配比的水泥砂漿，研究強(qiáng)和弱2種力學(xué)性能的充填物對(duì)含橢圓形孔洞砂巖力學(xué)特性的影響，并借助聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲得了巖樣的宏觀力學(xué)響應(yīng)與內(nèi)部聲發(fā)射特征和表面主應(yīng)變場(chǎng)演化之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試樣制備

選取四川隆昌采石場(chǎng)的青砂巖作為巖石基質(zhì)材料，該巖石呈灰綠色，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、綠泥石及少量硅質(zhì)巖屑等，粒徑主要在0.04~0.4 mm之間。試樣均取自同一巖塊，巖樣表面平整，無(wú)明顯肉眼可見(jiàn)缺陷。其平均密度為2 377.71 kg/m3，彈性模量為16.68 GPa，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為69.17 MPa和5.29 MPa。為了讓試樣內(nèi)外的裂紋擴(kuò)展具有較好的同步性和一致 性[17]，本文根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)的破壞形態(tài)最終選取加工尺寸為高120 mm，寬60 mm，厚30 mm的板狀試樣，試樣內(nèi)橢圓形孔洞采用專業(yè)高壓水刀切割而成，長(zhǎng)軸和短軸分別為21.2 mm和10.6 mm，長(zhǎng)軸方向與加載方向平行。

在實(shí)際工程中，由于成巖條件不同，巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)存在不同的膠結(jié)充填情況。本試驗(yàn)分別考慮無(wú)充填、充填水泥砂漿Ⅰ和水泥砂漿Ⅱ3種工況，并分別以編號(hào)A，B和C代表3種工況，其中，水泥砂漿Ⅰ的配合比(質(zhì)量比)為水泥:石英砂:水= 1:4:0.75，水泥砂漿Ⅱ的配合比為水泥：石英砂:水=1:2:0.45，并加入0.5%的膨脹劑以增加水泥砂漿與孔洞內(nèi)壁接觸間的黏結(jié)力。經(jīng)過(guò)前期的力學(xué)性能測(cè)試，水泥砂漿Ⅰ和水泥砂漿Ⅱ與青砂巖抗壓強(qiáng)度的比值分別為12.55%和51.19%，彈性模量的比值分別為37.41%和64.69%，可見(jiàn)，水泥砂漿Ⅰ可看作是相對(duì)的弱充填物，如泥質(zhì)或砂質(zhì)膠結(jié)充填，而水泥砂漿Ⅱ可看作是相對(duì)的強(qiáng)充填物，如鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)充填。加工完成后的巖樣如圖1所示，各組試樣的具體幾何尺寸和平均力學(xué)參數(shù)由表1給出。試樣加載端面經(jīng)過(guò)細(xì)致研磨后，其不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，符合國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)要求[18]。

待試樣加工成型后，為了使DIC軟件能夠識(shí)別和計(jì)算試樣表面的變形，需要在試樣表面制作人工散斑場(chǎng)。首先用刷子將試樣表面清理干凈，再在試樣表面用白色啞光漆進(jìn)行噴涂，以形成一層均勻的底色，待其干透后再在該面噴涂黑色啞光漆，以形成隨機(jī)的散斑場(chǎng)。

圖1 不同充填工況下巖樣

表1 試樣幾何尺寸和力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

試驗(yàn)系統(tǒng)，主要分為加載系統(tǒng)、觀測(cè)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和聲發(fā)射采集系統(tǒng)。加載系統(tǒng)采用INSTRON-1346型電液伺服控制機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)所能施加的最大軸向力為2 000 kN，在測(cè)試過(guò)程中，在試驗(yàn)機(jī)兩端加上可減小巖樣端面摩擦的剛性墊塊。試驗(yàn)過(guò)程中均采用位移控制準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，加載速率為0.01 mm/s，并采用線性位移引伸計(jì)來(lái)記錄試樣的軸向變形。觀測(cè)系統(tǒng)包括一臺(tái)CCD相機(jī)(Basler PiA2400-17gm)和鵝頸照明燈，設(shè)置相機(jī)的拍攝分辨率為2 448×2 050 pixels，物像比例為0.093 5 mm/pixel，圖像數(shù)據(jù)采集速度為15 fps。分析系統(tǒng)采用的是VIC-2D軟件系統(tǒng)，試驗(yàn)完成后，用該軟件系統(tǒng)對(duì)采集到的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到試樣表面變形場(chǎng)。聲發(fā)射采集系統(tǒng)采用的是由美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射儀，聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)Nano30型傳感器采集，其頻率響應(yīng)范圍為125~750 kHz，門檻值設(shè)為45 dB。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，同步啟動(dòng)INSTRON加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和CCD相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以得到試樣力學(xué)響應(yīng)與試樣內(nèi)部聲發(fā)射特征和試樣表面變形場(chǎng)演化之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)特性分析

各類典型試樣在單軸壓縮下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖2中可看出，完整砂巖的應(yīng)力?應(yīng)變曲線光滑，無(wú)明顯波動(dòng)現(xiàn)象，整體上呈塑?彈?脆性的變形特征。在加載初期曲線的斜率較小，壓縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)快于應(yīng)力增長(zhǎng)，具有明顯裂隙壓密段，在進(jìn)入彈性階段后，應(yīng)力隨應(yīng)變近似呈線性增大，在峰后應(yīng)力則迅速跌落至0，并伴有巨大聲響和巖塊彈射現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

與完整砂巖試樣相比，含孔洞及充填孔洞試樣的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，在裂隙壓密階段與完整試樣基本重合，進(jìn)入彈性階段后，應(yīng)力增長(zhǎng)路徑開(kāi)始出現(xiàn)差異，曲線斜率和彈性段長(zhǎng)度明顯減??；由于孔洞缺陷的存在，應(yīng)力峰值相對(duì)于完整試樣有不同程度的降低；在破壞后區(qū)，含孔洞缺陷試樣的脆性特征降低，表現(xiàn)出一定的延性破壞特征?？梢?jiàn)，雖然完整試樣的承載能力相比含孔洞試樣更好，但脆性破壞特征也更明顯，這表明含缺陷試樣在破壞失穩(wěn)前有更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，可以通過(guò)有效措施來(lái)控制和防范。而與含孔洞試樣相比，在充填物的膠結(jié)作用下，充填后試樣的力學(xué)性能得到改善，應(yīng)力峰值有所提高，且隨充填物力學(xué)性能的增大而增大。

圖2 單軸壓縮下典型試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同類型試樣的平均抗壓強(qiáng)度和彈性模量如圖3所示，可見(jiàn)相對(duì)于完整砂巖，含孔洞及充填孔洞試樣的力學(xué)性能都有不同程度的劣化。含橢圓形孔洞試樣的平均峰值強(qiáng)度和彈性模量分別為57.96 MPa和8.58 GPa，相對(duì)于完整砂巖試樣，劣化幅度分別為24.45%和23.05%；而對(duì)于充填后的砂巖試樣，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別介于59.12~63.99 MPa和9.14~9.41 GPa之間，相對(duì)于完整砂巖的最大降幅分別為22.94%和18.03%。

圖3 不同類型試樣抗壓強(qiáng)度和彈性模量

從圖3還可看出，對(duì)于充填后的橢圓形孔洞試樣，工況B相對(duì)于工況A，平均抗壓強(qiáng)度和彈性模量稍有提升，提升幅度分別為3.92%和7.23%；工況C相對(duì)于工況A，平均抗壓強(qiáng)度和彈性模量的提升幅度分別為9.40%和8.16%，其中抗壓強(qiáng)度的提升幅度較大，這是由于剛性充填作用顯著改善了巖樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)所致[15?16]?？梢?jiàn)，與未充填孔洞試樣相比，充填后孔洞試樣的力學(xué)性能均有所提高，且提升幅度與充填物本身力學(xué)性能密切相關(guān)。

2.2 聲發(fā)射特征與破裂過(guò)程分析

為了解充填作用對(duì)含孔洞巖石變形破裂特征的影響，本文以3種工況下的典型試樣(Ellip-A-1，Ellip-B-1和Ellip-C-2)為例，將后處理得到的巖樣表面應(yīng)變場(chǎng)與內(nèi)部聲發(fā)射信號(hào)相結(jié)合分析，對(duì)含孔洞及充填孔洞試樣的裂紋擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行探究。其中，圖5(a)和5(b)代表峰值應(yīng)力前，圖5(c)代表峰值應(yīng)力時(shí)，圖5(d)和圖5(e)代表峰值應(yīng)力后的破裂特征。

圖4是含橢圓形孔洞試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線，與之對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)最大主應(yīng)變演化云圖如圖5所示。從圖中可看出，對(duì)于含橢圓形孔洞試樣，在加載初期就出現(xiàn)了一些零星的AE次數(shù)，這主要是試樣內(nèi)部裂隙壓密的結(jié)果，之后累計(jì)AE計(jì)數(shù)呈線性緩慢增加。隨著應(yīng)力增大到A點(diǎn)，AE次數(shù)開(kāi)始變得活躍，且累計(jì)AE次數(shù)從線性段發(fā)生偏離，此時(shí)可看到在孔洞中心上下部位由于拉應(yīng)力集中出現(xiàn)了局部高應(yīng)變區(qū)(圖5(a))。應(yīng)力從A增大到B這段過(guò)程中，累計(jì)AE次數(shù)呈指數(shù)型上升，但AE次數(shù)未出現(xiàn)較大的聲發(fā)射活動(dòng)，這表明試樣內(nèi)的裂紋密度和范圍仍在不斷增大，但暫未有宏觀破壞裂紋形成。

圖4 含橢圓形孔洞試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線

當(dāng)應(yīng)力從B點(diǎn)增大到峰值應(yīng)力點(diǎn)C，由圖5(b)和圖5(c)可看出，在孔洞左下側(cè)出現(xiàn)的局部化區(qū)逐漸聚集成核形成次生裂紋，并與孔洞左側(cè)的壓應(yīng)力集中區(qū)搭接。隨后，伴隨著一次巨大的AE次數(shù)發(fā)生，應(yīng)力迅速?gòu)腃跌落至E，在這過(guò)程中孔洞左側(cè)的次生裂紋迅速向試樣下端部擴(kuò)展(圖5(d))，在失穩(wěn)破壞瞬間，孔洞右側(cè)出現(xiàn)的次生裂紋瞬時(shí)剪切錯(cuò)動(dòng)貫通至巖樣右上端部，在該破裂面上有明顯擦痕和巖屑掉落(圖5(e))。值得注意的是，應(yīng)力從C跌落至E僅用了0.49 s，因此觀測(cè)巖樣失穩(wěn)破壞瞬間過(guò)程，引入高速相機(jī)是很有必要的。

(a) σ=0.69σc；(b) σ=0.94σc；(c) σ=σc；(d) σ=0.53σc；(e) σ=0.02σc

圖6是含Ⅰ類充填孔洞試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線，與之對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)最大主應(yīng)變演化云圖如圖7所示。對(duì)于含Ⅰ類充填試樣，當(dāng)應(yīng)力增長(zhǎng)到A點(diǎn)之后，AE次數(shù)才逐漸變得活躍，此時(shí)從圖7(a)中可看到與未充填孔洞完全不同的裂紋起裂行為，高應(yīng)變區(qū)首先是集中在充填物與孔壁的左右邊界，發(fā)生由徑向拉伸應(yīng)力引起的界面剝離破壞[13, 16]，可認(rèn)為該時(shí)刻的應(yīng)力12.72 MPa為試樣的起裂應(yīng)力。

圖6 含Ⅰ類充填試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線

隨后，曲線進(jìn)入彈性段，累計(jì)AE次數(shù)也呈線性逐漸上升，在這過(guò)程中可看到在充填孔洞內(nèi)部同樣出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，且密度逐漸增大并相互搭接(圖7(b))。應(yīng)力從B點(diǎn)到峰值點(diǎn)C的過(guò)程中，AE次數(shù)和密度逐漸增大，累計(jì)AE次數(shù)從線型轉(zhuǎn)為指數(shù)型增長(zhǎng)。從圖7(c)可看出，裂紋從充填孔洞左側(cè)邊界起裂，并以拉伸形式擴(kuò)展至巖石基質(zhì)中。

隨后，伴隨著一次較大的AE次數(shù)發(fā)生，應(yīng)力突然從C到D跌落了49%，此時(shí)從圖7(d)中可看到，充填孔洞左側(cè)的次生裂紋迅速貫穿至巖樣上端部，并與孔洞左側(cè)的界面剝離區(qū)搭接，擴(kuò)展至孔洞下部位形成一條拉伸裂紋。值得注意的是，此時(shí)試樣未被完全貫穿，因此仍具有一定的承載能力。在經(jīng)過(guò)一小段應(yīng)力臺(tái)階后，最終，在充填孔洞右側(cè)也形成一條裂紋貫通至試樣上端部，同時(shí)充填孔洞下部位的拉伸裂紋向巖樣下端發(fā)生較大擴(kuò)展(圖7(e))，此時(shí)AE次數(shù)達(dá)到最大值。3條主裂紋在巖樣表面近似呈“Y”形分布，巖樣承載結(jié)構(gòu)最終失效，且在水平方向有較大變形。

(a) σ=0.21σc；(b) σ=0.66σc；(c) σ=σc；(d) σ=0.51σc；(e) σ=0.03σc

圖8是含Ⅱ類充填孔洞試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線，與之對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)最大主應(yīng)變演化云圖如圖9所示。

圖8 含Ⅱ類充填試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力時(shí)間曲線

從圖9(a)中可看出，對(duì)于含Ⅱ類充填試樣，裂紋起裂位置與Ⅰ類充填試樣類似，同樣是在充填物與孔壁的左右邊界發(fā)生界面剝離破壞，但此刻的起裂應(yīng)力值為21.91 MPa。當(dāng)應(yīng)力增大到B后，累計(jì)AE次數(shù)出現(xiàn)躍升，由于Ⅱ類充填物的強(qiáng)度和剛性較大，此時(shí)在充填孔洞內(nèi)僅有一條裂紋出現(xiàn)(圖9(b))。隨著應(yīng)力繼續(xù)上升到峰值點(diǎn)C，AE次數(shù)和密度逐步增大，次生裂紋從孔洞左上側(cè)起裂并與孔洞左邊界搭接(圖9(c))。隨后，伴隨著一次較大的AE次數(shù)，應(yīng)力從C到D跌落了46%，從圖9(d)可看出，孔洞左側(cè)的次生裂紋貫穿至巖樣上端部，并在孔洞下邊界出現(xiàn)兩條裂紋分別向巖樣左端和下端擴(kuò)展。最終，應(yīng)力繼續(xù)跌落，AE次數(shù)達(dá)到最大值，在孔洞下邊界出現(xiàn)3條呈“爪”形的宏觀裂紋將試樣貫穿(圖9(e))，在主破裂面上可看到因受剪應(yīng)力作用而擦痕明顯。

(a) σ=0.34σc；(b) σ=0.92σc；(c) σ=σc；(d) σ=0.54σc；(e) σ=0.50σc

經(jīng)過(guò)以上分析可發(fā)現(xiàn)，在峰值應(yīng)力前，累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)的線型轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)著裂紋的萌生或聚集。在峰值應(yīng)力后，每一次聲發(fā)射計(jì)數(shù)的突增，都對(duì)應(yīng)著一次裂紋較大擴(kuò)展或貫通巖樣所引起的應(yīng)力跌落。由于孔洞或充填物的存在，最大主應(yīng)變場(chǎng)演化由無(wú)序、離散化逐漸向局部化、梯度化集中，且裂紋的起裂、聚集、擴(kuò)展和貫通全過(guò)程都能夠通過(guò)應(yīng)變場(chǎng)中的局部化特征得到清晰地表征。

對(duì)于未充填孔洞，其側(cè)壁由于較高的壓應(yīng)力集中會(huì)向臨空面產(chǎn)生變形[19]，易發(fā)生片幫、剝落現(xiàn)象；而對(duì)于含充填孔洞，孔壁兩側(cè)的應(yīng)力條件由于充填物的存在得到改善，抑制了這種現(xiàn)象，主要產(chǎn)生由徑向拉伸應(yīng)力引起的界面剝離破壞[16]。充填作用不僅在一定程度上增強(qiáng)了巖樣抵抗破壞的能力，而且對(duì)孔洞周邊裂紋的起裂、擴(kuò)展和搭接在位置、時(shí)間和形式上都有一定的影響。此外，充填物本身的力學(xué)性能對(duì)試樣的裂紋行為也存在一定的影響，隨著充填物力學(xué)性能的增強(qiáng)，試樣第1次出現(xiàn)高應(yīng)變區(qū)時(shí)的起裂應(yīng)力則越大。

2.3 最終破壞模式分析

各工況下含橢圓形孔洞砂巖的最終破壞模式如圖10所示。從圖中可以看出，在該尺寸下的板狀巖樣，其正反兩面的裂紋擴(kuò)展特征具有較好的一致性。

通過(guò)對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)隨充填物力學(xué)性能的增強(qiáng)，巖樣的破壞模式有著由拉伸破壞向剪切破壞的轉(zhuǎn)變。對(duì)于未充填的含橢圓形孔洞試樣，巖樣的最終破壞主要由1條宏觀次生裂紋和1條剪切裂紋貫穿所致，其破壞模式表現(xiàn)出拉剪混合破壞特征；對(duì)于含Ⅰ類充填孔洞試樣，引起巖樣最終破壞的宏觀主裂紋主要有3條，1條宏觀拉伸裂紋和2條宏觀次生裂紋，近似呈“Y”形分布，其破壞模式主要呈拉伸破壞特征；對(duì)于含Ⅱ類充填孔洞試樣，主要由2條宏觀對(duì)角剪切裂紋和2條拉剪混合裂紋貫穿巖樣引起破壞，在主破裂面上因受剪應(yīng)力作用而出現(xiàn)明顯擦痕和巖屑掉落，其破壞模式主要呈剪切破壞特征。

(a) Ellip-A正面和反面；(b) Ellip-B正面和反面；(c) Ellip-C正面和反面

3 結(jié)論

1) 與完整砂巖相比，含孔洞及充填孔洞試樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量都有不同程度的降低，但峰后延性破壞特征有所增強(qiáng)；與未充填孔洞試樣相比，充填后孔洞試樣的起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力和彈性模量均有所提高，且提升幅度隨充填物本身力學(xué)性能的增強(qiáng)而增大。

2) 與未充填試樣相比，含充填試樣的裂紋首先是在充填物與孔壁的交界弱面處起裂并產(chǎn)生界面剝離。此外，充填作用對(duì)巖樣裂紋擴(kuò)展特征及最終破壞形態(tài)的影響也很明顯，且與充填物本身的力學(xué)性能密切相關(guān)。

3) 通過(guò)將DIC技術(shù)與AE技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用，巖樣的宏觀力學(xué)響應(yīng)能夠較好地與內(nèi)部聲發(fā)射信號(hào)和表面變形場(chǎng)演化相聯(lián)系起來(lái)，且聲發(fā)射特征和應(yīng)變局部化特征都能直觀、準(zhǔn)確地反映巖石損傷破裂過(guò)程，特別是對(duì)于充填孔洞內(nèi)部的裂紋發(fā)育情況。

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Experimental study on mechanical and failure characteristics of sandstone with a filled elliptical hole

ZHOU Yanan1, ZHU Quanqi1, LI Diyuan1, MA Chunde1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Center for Advanced Study, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the effects of mechanical performances of filling materials on failure and mechanical properties of rock with elliptical holes, uniaxial compression tests were conducted on prismatic sandstone specimens containing an elliptical hole filled with different proportions of cement mortar. Acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques were applied jointly to record and analyze the fracture process and crack behavior of specimens. The results show that the strength and elastic modulus of the specimen with an elliptical hole are reduced by 24.45% and 23.05%, respectively, compared with the intact specimen. While the initial stress, peak stress and elastic modulus of the specimen after filling are improved, and the improve extent increases with the increase of the mechanical properties of the filling material itself. It is found that the effects of filling on crack initiation, propagation, coalescence and ultimate failure morphology of rock specimens are also obvious. The failure mode of specimens with an elliptical hole changes from tensile failure to shear failure with the increase of mechanical properties of fillings. In addition, the relationship between macro-mechanical response and micro-mechanical behavior of rock can be established by using AE and DIC methods.

rock mechanics; filled elliptical hole; mechanical property; failure process; digital image correlation; acoustic emission

TU458

A

1672 ? 7029(2019)08? 1931 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.009

2018?11?15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0600706)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474250)；新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2018A03003-2)

馬春德(1976?)，男，遼寧丹東人，副教授，博士，從事礦山巖體力學(xué)與地應(yīng)力測(cè)量方面的研究工作；E?mail：cdma@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)