白 杰，袁 超

（1.中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

巖體工程受內(nèi)部微裂紋等細(xì)觀缺陷及裂隙等宏觀缺陷的影響，在外荷載不斷變化下，裂紋會在某些結(jié)構(gòu)面或其中的薄弱部位逐漸地擴展、演化和匯合，易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。巖體工程災(zāi)害問題嚴(yán)重制約了資源開采利用，根本原因是對巖體工程材料缺乏足夠認(rèn)識，研究巖體損傷及強度特性則是解決工程災(zāi)害難題的科學(xué)基礎(chǔ)[1-2]。近年來，學(xué)者們對裂隙巖體力學(xué)特性的研究取得了許多階段性成果。ZHAO等[3]、LI 等[4]對含有裂隙類巖石材料開展了單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)裂紋凝聚的類型與裂隙的幾何形狀有關(guān)；趙建軍等[5]通過類巖石材料，研究了不同長度裂隙對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了巖體強度與裂隙長度負(fù)相關(guān)關(guān)系；張偉等[6]研究了裂隙傾角對巖樣壓縮變形特性的影響，分析得到了不同傾角裂隙巖樣的破壞形態(tài)；冒海軍等[7]、崔景昆等[8]通過力學(xué)特性試驗，得到了結(jié)構(gòu)面傾角與抗壓強度之間的關(guān)系；李文洲等[9]通過對裂隙煤巖體變形破壞特征的研究，分析了裂隙擴展臨界載荷與裂隙不同角度間的關(guān)系；劉紅巖等[10]、鮮于文攀等[11]基于相似材料對巖石進行單軸模型試驗，并將裂隙巖體的破壞模式分為張性貫通、剪性貫通和張剪性貫通；李術(shù)才等[12]、李團結(jié)等[13]通過CT 實時觀測得到了荷載作用下裂隙巖體的裂紋擴展規(guī)律；JIANG 等[14]利用單軸壓縮試驗研究了含預(yù)制裂隙巖樣的裂紋擴展機制及破壞模式。除此之外，一些學(xué)者還通過壓縮模擬試驗來研究裂隙傾角變化導(dǎo)致巖體抗壓強度的各向異性[15-19]。

以上研究從試驗層面對裂隙巖體進行宏觀力學(xué)特性的研究較多，通過宏細(xì)觀綜合效應(yīng)反映巖體力學(xué)特性的研究較少；考慮裂隙單一的形狀、大小、位置等對巖體變形破壞過程影響的研究較多，考慮裂隙幾何特征影響的研究較少；采用類巖石材料模擬裂隙進行室內(nèi)試驗的研究較多，基于真實巖體材料研究較少，試驗結(jié)果存在一定誤差，很難直接指導(dǎo)工程實踐。為此，對含預(yù)制裂隙砂巖開展單軸壓縮試驗，輔以SEM、NMR、Vic-3D 應(yīng)變測量等技術(shù)，重點研究不同裂隙幾何特征對巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1）試驗設(shè)計。鉆取φ50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖樣，利用水刀在巖樣上制作不同幾何特征的裂隙，用于巖體抗壓強度的測試。最終用于試驗的完整巖樣3 塊，裂隙巖樣36 塊（不同裂隙長度9 塊；不同裂隙貫穿度9 塊；不同裂隙數(shù)量9 塊，不同裂隙傾角9 塊）。本試驗采用單因素控制變量法，即考慮不同裂隙長度時，裂隙貫穿度、數(shù)量及傾角均為定值。巖樣試驗分組見表1。

表1 巖樣壓縮試驗分組表Table 1 Grouping table of rock sample compression test

2）試驗設(shè)備。Vic-3D 非接觸式全應(yīng)變測量系統(tǒng)由計算機控制、設(shè)備校準(zhǔn)、圖像采集、采光照明、數(shù)字分析5 部分組成，能夠獲得巖樣表面位移場和應(yīng)變場的分布。核磁共振成像分析系統(tǒng)由試驗臺和操作分析臺2 部分組成，能夠?qū)r樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進行測試。

3）試驗步驟。試驗分預(yù)壓階段和正式試驗2 個階段，具體操作步驟如下：將巖樣上下表面打磨平整，采用凡士林潤滑減小端部約束；預(yù)加載1 kN 的力以固定巖樣，試驗過程采用0.05 mm/min 軸向位移控制直至巖樣失穩(wěn)破壞；對加載破壞后的巖樣用透明收集袋收好、編號，并拍照記錄；計算巖樣的抗壓強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)，試驗結(jié)果取平均值，并繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；對差異性較大的巖樣數(shù)據(jù)，應(yīng)重新進行試驗。

2 巖樣物理力學(xué)特性

2.1 超聲縱波

巖樣平均縱波波速圖如圖1。

圖1 巖樣平均縱波波速圖Fig.1 Average longitudinal wave velocity of rock samples

由圖1 可知：聲波在完整及裂隙巖樣傳播時，其波速表現(xiàn)出一定的差異性。相較于完整巖樣，裂隙巖樣波速隨著裂隙長度、貫穿度及數(shù)量的增加，波速呈加速下降趨勢；而隨著裂隙傾角的增加，波速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。分析原因：聲波在液體中的傳播速度大于空氣中速度，因此不同裂隙幾何特征巖樣的波速整體低于完整巖樣，且在通過裂隙巖樣時，聲波由于發(fā)生折射、反射及能量損失，波速也會發(fā)生衰減。

2.2 孔隙特征

巖樣掃描電鏡圖如圖2。

圖2 巖樣掃描電鏡圖Fig.2 SEM of rock sample

由圖2（a）巖樣500 倍電鏡圖像特征可以看出:巖樣的基本骨架由規(guī)則不一的顆粒隨機分布構(gòu)成，顆粒間邊界明顯，粒間孔和粒間隙由礦物碎屑填充和黏土礦物黏結(jié)；由圖2（b）1 000 倍電鏡圖片可知：顆粒間間隙主要由位于顆粒表面薄膜狀的黏土礦物膠結(jié)，但仍有部分粒間孔存在。

2.3 力學(xué)特性

巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖3。

圖3 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curves of rock samples

由圖3（a）可知：完整巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密段較短，彈性段曲線斜率最大，裂隙長度由10 mm增加到20、30 mm 時，巖樣表現(xiàn)為壓密段增長，彈性段曲線斜率減小，峰值點應(yīng)力降低，巖體抗壓強度隨裂隙長度的增加不斷減小，完整巖樣表現(xiàn)出明顯脆性破壞，巖樣隨著裂隙長度的增加，表現(xiàn)為脆性減弱，塑性增強；由圖3（b）可知：不同裂隙貫穿度巖樣曲線變化趨勢與完整巖樣一致，壓密段和彈性段近乎重合，在其達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線呈快速下降趨勢，表現(xiàn)出明顯的塑性特征；由圖3（c）可知：不同裂隙數(shù)量巖樣壓密段趨勢近似一致，巖樣彈性段曲線斜率、峰值強度均隨裂隙數(shù)量的增加而逐漸減??；由圖3（d）可知：不同裂隙傾角巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢與完整巖樣基本一致，峰后曲線下降速率明顯，巖體表現(xiàn)為脆性破壞。

2.4 破壞模式

2.4.1 不同裂隙長度巖體破壞模式

不同裂隙長度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展如圖4。

圖4 不同裂隙長度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展Fig.4 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack lengths

由圖4 可知：單軸壓縮下裂紋從巖樣兩端開始萌生，隨著荷載的增加裂紋不斷發(fā)育、擴展直至巖樣破壞，表現(xiàn)為明顯的拉伸破壞；隨裂隙長度的增加巖樣表現(xiàn)為明顯的剪切破壞，在受力過程中裂紋沿著裂隙的兩端開始起裂發(fā)展，最終與預(yù)制裂隙匯合貫通，巖樣發(fā)展破壞。分析原因：當(dāng)巖樣完整時在軸向加載下，主要受拉應(yīng)力，整體呈現(xiàn)拉伸破壞；當(dāng)裂隙長度增加時，預(yù)制裂隙相互間的尖端既受壓應(yīng)力又受拉應(yīng)力，尖端破壞后形成沿著預(yù)制裂隙和垂直預(yù)制裂隙傾斜方向的翼型裂紋和反翼型裂紋。

2.4.2 不同裂隙貫穿度巖體破壞模式

不同裂隙貫穿度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展如圖5。

圖5 不同裂隙貫穿度巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展Fig.5 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack penetration

由圖5 可知：不同貫穿度裂隙巖樣主要裂紋形式有剪切裂紋、翼型裂紋和反翼型裂紋，并伴有遠(yuǎn)場拉伸裂紋及各方向細(xì)微次生裂紋，對比完整巖樣壓縮破壞裂紋形式更加復(fù)雜。分析原因：由于裂隙貫穿度的不斷增加，造成巖樣的豎向拉伸裂紋逐漸向預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)的剪切裂紋傾斜，且衍生出的翼型裂紋及反翼型裂紋逐漸增多，巖樣內(nèi)部抵抗荷載的面積減小，抵抗剪切變形的能力減弱，破壞模式由拉伸破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。

2.4.3 不同裂隙數(shù)量巖體破壞模式

不同裂隙數(shù)量巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展如圖6。

圖6 不同裂隙數(shù)量巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展Fig.6 Failure modes and crack propagation of rock samples with different cracks

由圖6 可知：巖樣裂紋形式無論是翼型裂紋還是反翼型裂紋，巖樣在破壞過程中會伴隨著次生裂紋的產(chǎn)生；隨著裂隙數(shù)量的增加，巖樣由單條裂隙的剪切破壞向多條裂隙巖橋間擴展和貫通的反翼型裂紋破壞轉(zhuǎn)變。分析原因：對比完整巖樣，不同裂隙數(shù)量巖樣裂隙尖端更易產(chǎn)生翼型裂紋和反翼型裂紋，裂紋在巖橋內(nèi)聯(lián)結(jié)貫通，端部反翼型裂紋不斷發(fā)育、擴展，巖樣發(fā)生破壞。

2.4.4 不同裂隙傾角巖體破壞模式

不同裂隙傾角巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展如圖7。由圖7 可知：不同裂隙傾角巖樣在變形破壞過程中，除了出現(xiàn)翼型裂紋和反翼型裂紋，巖樣破壞均有次生裂紋的產(chǎn)生；當(dāng)傾角β≤45°時，在軸向加載下預(yù)制裂隙尖端主控因素為拉應(yīng)力，尖端發(fā)生破壞后形成沿預(yù)制裂隙傾斜方向的裂紋逐漸擴展，形成翼型裂紋；當(dāng)45°＜β＜90°時，預(yù)制裂隙尖端主控因素為壓應(yīng)力，尖端破壞后形成沿預(yù)制裂隙傾斜相反方向的裂紋擴展形成反翼型裂紋；裂隙傾角為90°時，巖樣破壞形態(tài)受預(yù)制裂隙影響較小，破壞形態(tài)表現(xiàn)為明顯的拉伸破壞。

圖7 不同裂隙傾角巖樣破壞形態(tài)及裂紋擴展Fig.7 Failure modes and crack propagation of rock samples with differen angles

3 巖樣裂紋擴展演化規(guī)律

裂紋擴展規(guī)律分析按層次遞進分析，第1 層巖樣破壞形態(tài)，第2 層巖樣應(yīng)變云圖，第3 層為巖樣應(yīng)變3D 云圖。便于分析，黑色線條表示預(yù)置裂隙，紅色線條表示不同剪切裂紋、拉伸裂紋、翼裂紋、反翼裂紋及巖樣剝落等。

3.1 完整巖樣

完整巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖如圖8。

圖8 完整巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖Fig.8 Cloud diagrams of crack propagation and strain of intact rock samples

由圖8 可知：巖樣加載初期不受荷載作用，表面應(yīng)變?yōu)?；待巖樣進入壓密段后，內(nèi)部微裂隙受到荷載作用，使得原生裂紋被壓密，紫色壓應(yīng)變區(qū)域表現(xiàn)出大致平行于加載方向的條帶狀，應(yīng)變量明顯增加，裂紋端部局部拉伸，且有相互貫通的趨勢；巖樣最終發(fā)生破壞、脫落，表現(xiàn)為明顯的張拉破壞。

3.2 20 mm 裂隙巖樣

20 mm 裂隙巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖如圖9。

圖9 20 mm 裂隙巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖Fig.9 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 20 mm fracture rock samples

由圖9 可知：原有裂紋上下尖端產(chǎn)生紅色拉伸應(yīng)變區(qū)，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生發(fā)絲狀反翼型裂紋；隨著巖樣壓應(yīng)力的不斷增大，巖樣上下端靠近加載接觸面部位應(yīng)變量明顯增加，巖樣內(nèi)部離預(yù)制裂隙較遠(yuǎn)的位置開始出現(xiàn)剪切型裂紋，對應(yīng)云圖中左上角位置和右下角位置，該裂紋迅速向著臨近的裂隙尖端和端面擴展；最終裂紋經(jīng)歷萌生、起裂、擴展、衍生及貫通階段，反翼型裂紋逐漸明顯。

3.3 45°裂隙巖樣

45°裂隙巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖如圖10。

圖10 45°裂隙巖樣裂紋擴展及應(yīng)變云圖Fig.10 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 45° fracture rock samples

由圖10 可知，巖樣在加載初期，上下兩端部逐漸出現(xiàn)裂紋并向預(yù)制裂隙處延伸；隨著軸向荷載的不斷增大，巖樣端部應(yīng)變量增加并產(chǎn)生局部拉伸，形成2 條翼型裂紋和1 條反翼型裂紋；翼型裂紋發(fā)育擴展最終與預(yù)制裂隙匯合貫通，巖樣發(fā)生剪切破壞。

4 巖樣細(xì)觀特性

4.1 孔隙度與裂隙特征及抗壓強度關(guān)系

NMR 孔隙度表征巖體壓縮破壞特性如圖11。

圖11 NMR 孔隙度表征巖體壓縮破壞特性Fig.11 NMR porosity characterization of rock mass compression failure characteristics

由圖11 可知：30 mm 裂隙巖樣試驗后孔隙度明顯增加，但對應(yīng)的巖樣強度最低，說明預(yù)制裂隙和荷載的作用加劇了巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的改變質(zhì)，進而影響巖體力學(xué)性能；荷載作用下巖樣孔隙度值變大，對應(yīng)其抗壓強度值越低，兩者呈線性關(guān)系。對比完整巖樣和不同裂隙長度巖樣試驗前后抗壓強度的變化，由25.23 MPa 減少到3.88 MPa，變化幅度較大，說明裂隙長度越長，巖樣裂紋擴展速度越快；而不同裂隙貫穿度、傾角巖樣孔隙度和抗壓強度變化幅度不大，即孔隙度對抗壓強度敏感性不強。

4.2 譜面積與裂隙特征及抗壓強度關(guān)系

NMR 譜面積表征巖體壓縮破壞特性如圖12。

圖12 NMR 譜面積表征巖體壓縮破壞特性Fig.12 NMR spectrum area characterizes the compression failure characteristics of rock mass

由圖12 可知：完整及裂隙巖樣試驗前后譜面積有明顯的增加，說明巖樣微裂隙、微孔隙及預(yù)制裂隙的存在導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的劣化；對比完整及裂隙巖樣試驗前后NMR 譜面積，以不同裂隙長度巖樣為例，譜面積變化范圍由8 347.21～9 873.97，對應(yīng)巖樣強度下降幅度達(dá)84.62%，表明NMR 譜面積能反映巖樣的抗壓強度，即譜面積越大，巖樣抗壓強度越低。

綜上分析，巖樣NMR 孔隙度與譜面積成正比，且均與巖樣抗壓強度呈負(fù)相關(guān)，即巖樣孔隙度、譜面積越大，對應(yīng)抗壓強度越小。研究巖體內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)可以對實際工程提供理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

1）裂隙巖樣比完整巖樣具有更高的孔隙率，從而影響巖體的基本力學(xué)特性，導(dǎo)致巖體強度劣化。裂隙巖樣的波速整體低于完整巖樣，且聲波速度隨裂隙長度、貫穿度及數(shù)量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，隨裂隙傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

2）完整及裂隙巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為裂隙初始壓密、彈性變形、塑性變形以及應(yīng)變軟化4 個典型階段。巖樣在達(dá)到峰值應(yīng)力后強度迅速衰減，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。30 mm 裂隙巖樣峰值應(yīng)力最低，90°裂隙巖樣強度最高，接近完整巖樣。

3）完整巖樣主要表現(xiàn)為張拉破壞；不同裂隙長度、數(shù)量巖樣表現(xiàn)為剪切破壞，其中3 條裂隙巖樣遠(yuǎn)場伴隨有拉伸裂紋；25%和50%裂隙巖樣以張拉為主、剪切為輔的破壞形態(tài)，75%和100%裂隙巖樣則以剪切為主、拉伸為輔的破壞形態(tài)；0°和90°裂隙巖樣發(fā)生張拉破壞，而30°、45°和60°裂隙巖樣則發(fā)生剪切破壞。

4）完整及裂隙巖樣孔隙度和譜面積受荷后均有大幅增加，表明荷載作用能夠改變巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，進而影響其宏觀力學(xué)特性。完整巖樣孔隙結(jié)構(gòu)以微小孔隙為主，裂隙巖樣則主要以中大孔隙和預(yù)制裂隙為主，受荷后巖樣微小孔隙比重降低，大中孔隙和預(yù)制裂隙比重增大，表明預(yù)制裂隙對巖樣造成的初始損傷能影響巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)。