侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响

刘学伟,刘泉声,刘 滨,潘玉丛

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071)

侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响

刘学伟,刘泉声,刘 滨,潘玉丛

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071)

为系统地研究侧向压力对裂隙岩体的破坏形式及强度特征的影响,利用RMT-150C电液伺服机及侧向加压设备对含预制裂隙石膏试样进行了双轴压缩试验。试验结果表明:①随着侧向压力的增加,应力-应变曲线延性增强,表现出典型的塑性变形特征。②不同侧向压力条件下,裂隙试样破坏形式主要包括初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏和表面剥落破坏3种。③侧向压力与试样抗压强度及弹性模量等强度参数呈现非线性增加关系。进一步通过声发射监测发现,侧向压力也会明显地降低加载初期试样的声发射能量和计数。试验结果与相关文献和工程实践现象具有很好的一致性。

侧向压力;裂隙岩体;破坏形式;强度特征;声发射

岩体内赋存的大量裂隙改变了岩石的力学性质,降低了岩石的变形和强度参数,并在工程扰动作用下极易扩展并相互贯通,已逐渐成为威胁工程岩体安全性和稳定性的主要因素[1]。因此,在工程建设日益复杂的今天,为了有效地对裂隙岩体失稳机制进行科学分析,以及对工程进行安全、经济地设计,开展裂隙试样在不同加载条件下的破坏过程和强度特征试验研究具有重要意义。

国内外学者对含裂隙岩石材料在加载条件下的裂隙扩展和强度特征进行了大量的试验研究。在裂隙破坏形式方面,林鹏等[2]研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程,认为单轴载荷作用下,裂纹扩展和最后的破坏行为受预置单裂纹缺陷的角度影响;A.Boet等[3]通过采用在石膏材料中预制平行双裂隙,研究了类岩石材料在单轴和双轴压缩作用下的裂隙扩展形式与几何规律;陈卫忠等[4]进行了闭合裂纹试样的单、双轴压缩试验,分析了裂纹的扩展贯通规律;付金伟等[5]通过一种新型的非饱和树脂材料,研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,并分析探讨了其产生的条件和机理;R.H.C.Wong等[6]对含多条平行预置裂隙类岩石材料进行单轴压缩试验,研究了多裂隙的萌生、扩展和贯通机制;李碧勇等[7]研究了对称分支裂隙在单轴压缩条件下的扩展规律,并进行了数值模拟试验;张平[8]采用含裂隙石膏试样,对动静载荷作用下裂隙扩展、贯通过程及影响因素进行了分析。在强度特征方面,刘东燕等[9]讨论了节理方位、围压大小对含X型断续节理岩体强度的影响;蒲成志等[10]通过对预制多裂隙水泥砂浆试件的单轴压缩试验,研究了裂隙分布密度对试件断裂破坏强度的影响;张波等[11]以相似材料制作含交叉裂隙岩体试样,考虑裂隙角度及夹角的变化,研究了单轴压缩作用下X形裂隙的强度规律;M.Prudencio等[12]通过对断续节理试件开展了双轴压缩试验,研究了节理间距、节理倾角等参数变化对岩体破坏模式、强度和变形特征的影响;Yang[13]对含共面双裂隙砂岩试样在单轴压缩条件下的变形行为,以及裂隙倾角对抗压强度、起裂强度和弹性模量的影响规律进行了试验研究;陈新等[14]研究了单轴压缩条件下节理倾角和连通率对岩体强度、变形特征的影响。

以上研究有力地丰富了岩体裂隙扩展规律和变形理论。但通过分析不难发现,上述成果具有以下几个特点:①试验的加载方式有单轴和双轴2种,但是受困于试验设备,目前试验主要集中在单轴压缩条件,较少进行双轴压缩试验;②目前针对裂隙扩展、贯通模式和强度演化规律的试验研究主要集中在调整试样中裂隙参数,包括裂隙倾角、类型、数量等因素,较少研究侧向压力和裂隙的分别变化对破坏机制的影响,以及侧向压力与强度定量关系的试验研究。

为此,考虑到实际岩体所处的复杂应力状态,本文开展了不同侧向压力条件下裂隙试样的双轴压缩试验,系统地研究了侧向压力对于裂隙试样的强度特征、破坏形式以及声发射特征的影响,并初步分析了侧向压力对上述因素的影响机制,对工程岩体开挖和支护行为提供了一定的试验和理论支撑。

1 裂隙试样试验

1.1 试样制备

试样长×宽×高为60 mm×40 mm×120 mm,采用可拆卸方形钢模具浇筑而成,其中内置裂隙采用在试样浇筑后插入钢片的方法制作。材料的基本物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of material

裂隙形式包含单裂隙和X形交叉裂隙2种。单裂隙长度为20 mm,根据预制裂隙倾角α的不同,设计分成0°,30°,45°,60°和90°共5组;X形交叉裂隙中两裂隙长度均为20 mm,其中主裂隙与水平向夹角α分别设计为0°,30°,45°和60°四组。裂隙的空间布置及加载方式如图1所示。为表述方便,约定试样中预制裂隙为“初始裂隙”,在加载过程中萌生的裂隙为“新生裂隙”。

图1 裂隙试样的几何布置及加载示意Fig.1 Geometrical arrangement and loading schematic diagram of fractured specimens

1.2 试验设备

本试验主要包括3个基本设备:试样轴向加载设备、试样侧向加载设备和声发射监测设备。

试样轴向加载采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT-150C数字控制式电液伺服试验机(图2),该设备垂直最大出力为1 MN,水平最大出力为0.5 MN,三轴压缩最大围压50.0 MPa,机架刚度为5 MN/mm。设备可采用位移和载荷方式控制加载,试验过程数据自动采集,实时显示,具有很好的动态响应功能。本试验采用载荷控制加载方式,加载速率为0.02 kN/s。

图2 试验系统Fig.2 Testing system

由于RMT-150C试验机无法实现侧向加载,因此在试验机的加载空间增加了一个侧向加压设备,该设备由油泵、稳压器、油管及侧向加压装置组成,其中侧向加压装置如图2左上角所示,采用4根长螺杆将3块高刚度钢板串起,其中一侧放置千斤顶施加侧向压力,另一侧放置试样。

声发射测试采用美国物理声学公司生产的PCIII声发射测试分析系统。试样表面放置4个声发射传感器,对称分布于试样前后面。同时在试样和四周垫片之间加垫聚四氟乙烯薄膜,实现减摩祛噪。

1.3 试验方案

对完整试样、单裂隙试样和交叉裂隙试样分别进行单轴和双轴压缩试验,双轴试验侧向压力值根据试样的单轴压缩强度设定。试样及传感器放置好之后,首先按照轴向加载速率0.2 kN/s、侧向加载速率0.4 kN/s施加σ1=σ3至到预定侧向压力值,再保持侧向压力恒定,并将轴向加载速率调整为0.02 kN/s,同时启动声发射采集系统,开始正式加载直至试样破坏。先按每种条件下进行2次试验,对2次试验效果均差的情况,进行补做。

2 试验结果

试验对不同裂隙形式的试样均进行了单轴压缩和双轴压缩试验,并获取了各试验条件下的应力-应变曲线、裂隙扩展和破坏形式。鉴于篇幅所限,选取较典型的试验结果进行介绍。

2.1 应力-应变曲线

不同侧向压力条件下各裂隙试样的应力-应变曲线如图3所示,图中数字表示侧向压力值。由图3可知,不同侧向压力条件下应力-应变曲线的变形特征基本一致,均表现为较少的压密段、弹性段和屈服段。不同的是随着侧向压力增加,曲线逐渐表现为典型的塑性变形特征,且延性特征增强,特别是在侧向压力较高时,几乎呈现出强化弹塑性曲线特征。这说明较大的侧向压力可以更好的限制试样的侧向变形,保持试样的完整性。

图3 不同侧向压力条件下,不同裂隙形式试样应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves for specimens with different fracture types under different lateral pressures

2.2 试样破坏形式

单轴压缩试验下完整试样的破坏形式侧向劈裂为主,单裂隙和交叉裂隙试样的破坏则表现为典型的初始裂隙起裂扩展破坏形式。图4～6分别是不同侧向压力条件下各裂隙试样的破坏形式。

图4(a),(b)分别为完整试样在单轴压缩和侧向压力为0.5 MPa时的破坏形式。可以看出,试样破坏均呈现端部压缩和侧向劈裂破坏特征,不同的是双轴加载条件下试样侧向劈裂纹较单轴压缩更为细小,如图4(b)所示。其中端部压缩主要是由于试样颗粒间胶结性较差,在轴向压力作用下端部区域内颗粒相互挤压滑动而出现粉末状压缩带。此后轴向力通过压缩带向试样进行传递,使得试样两侧微裂隙逐渐萌生扩展,最终产生宏观裂隙,导致试样失稳。

图4 完整试样破坏形式Fig.4 Failure modes of intact specimens

图5 单裂隙试样破坏形式Fig.5 Failure modes of specimens with a single fracture

图6 交叉裂隙试样破坏形式Fig.6 Failure modes of specimens with cross-fractures

图5(b)表示单裂隙试样在侧向压力0.5 MPa时的破坏形式。此时试样的破坏形式不受初始裂隙的影响,表现为与完整试样类似的端部压缩和侧向劈裂破坏。这一试验结果表明:当试样中裂隙较少时,侧向压力会掩盖裂隙的作用,即对应于较软弱的岩石材料,当裂隙较少时,材料的失稳破坏形式在一定程度上受加载条件的影响。

图6分别为交叉裂隙试样单轴压缩和0.3 MPa侧向压力条件下的破坏,在单轴和双轴压缩条件下,试样的破坏形式均为初始裂隙起裂扩展破坏。值得注意的是,双轴加载条件下试样裂隙扩展和破坏特征表现出与之前的试样均不同的特征:①裂隙扩展过程不同。新生裂隙相对细小,即便在试样破裂失稳时也不会出现较大裂隙;②裂隙扩展方向不同。在双轴加载条件下,裂隙扩展方向不再沿着主加载方向延伸,而是发生了一定的偏转;③试样破坏形式不同。交叉裂隙试样的双轴压缩破坏受控于初始裂隙,而不是侧向的劈裂破坏。这一试验结果表明:当试样中存在较多裂隙时,侧向压力将不能掩盖裂隙的作用,此时试样的破坏形式仍由裂隙主导,但是侧向压力对试样的裂隙扩展和破坏形式影响仍是显著的。

3 结果分析

3.1 侧向压力对强度特征的影响

从图7可以看出,单裂隙试样抗压强度及弹性模量随侧向压力呈抛物线增加趋势。在单轴压缩时,其抗压强度和弹性模量分别为3.285MPa和0.767 GPa,随着侧向压力增加到1.5 MPa,抗压强度和弹性模量也分别增加到4.087 MPa和1.537 GPa,增长率分别为24.4%和100.4%。可见,侧向压力可以显著提高单裂隙试样的强度参数。

图7 单裂隙试样侧向压力与强度参数的关系Fig.7 Relationships between lateral pressure and strength parameters of specimens with a single fracture

同样地,对于交叉裂隙试样,由图8可以看出,随着侧向压力的增加,试样的抗压强度和弹性模量亦呈现出抛物线增长趋势。当侧向压力由0增加到0.8 MPa时,上述参数分别由3.824 MPa和1.082 GPa增加到4.817 MPa和1.432 GPa。

显然,不论是单裂隙试样还是复杂裂隙试样,各强度参数与侧向压力的关系是一致的,所不同的是,单裂隙试样随着侧向压力的增加,参数的增加速率逐渐增大,而交叉裂隙试样参数的增加速率则逐渐降低。试验结果与文献[11]具有较好的一致性。将上述非线性关系用如下的多项式函数表示:

图8 交叉裂隙试样侧向压力与强度参数的关系Fig.8 Relationships between lateral pressure and strength parameters of specimens with cross-fractures

式中,P为强度参数,分别代表抗压强度σc和弹性模量E;σ3为侧向压力;a,b,c为函数系数。

表2列出了各强度参数与侧向压力拟合方程中的系数,以及相关系数R2。

表2 侧向压力与强度参数拟合函数参数Table 2 Parameters of fitting functions between lateral pressure and strength parameters

3.2 侧向压力对破坏形式的影响

根据试验结果,将试样破坏形式分为3类:初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏以及表面剥落破坏。

其中,表面剥落破坏是侧向压力对破坏形式影响的典型表现。对于完整试样,在单轴压缩和低侧向压力(0.5 MPa)时,试样破坏形式为侧向劈裂破坏,同时试样顶端也会出现一层粉末压缩带。但随着侧向压力进一步增加(2 MPa),试样破坏时将不出现明显裂隙,取而代之是较多的表面浅层剥起(图9(b))。

这一破坏形式表明当侧向压力达到一定值时,完整试样的破坏形态由侧向劈裂向表面剥落破坏转化。在工程实践中,特别是在深埋隧道或深部巷道开挖后,硐室表面岩体由三向压力转化为两向压力状态,此时很容易出现片帮、炸浆等岩石力学现象,这些现象与试验结果是相吻合的。

如图10所示,当存在侧向压力时,单裂隙试样表现出典型的侧向劈裂破坏形式。且随着侧向压力的增加,侧向的劈裂纹逐渐变的细小。具体表现为,当侧向压力为0.5 MPa时,试样破坏时存在多条侧向劈裂纹,而侧向压力增加到1.0 MPa时,侧向劈裂纹只出现一条并且较为延展不长,当侧向压力进一步增加至1.5 MPa时,劈裂纹则更加细小,试样破坏表现为典型的塑性破坏特征,此时试样中也出现了较少的表面剥起。

图9 表面剥落破坏形式Fig.9 Failure modes of surface spalling

图10 侧向劈裂破坏形式Fig.10 Failure modes of lateral splitting

试验结果表明,侧向压力在一定程度上可以与裂隙作用等效。即当试样中存在一定裂隙时,随着侧向压力的增加,破坏形式由初始裂隙扩展破坏演化至表面剥落破坏;当固定侧向压力时,随着裂隙的增加,破坏形式逐渐由表面剥落破坏向初始裂隙扩展破坏转化。这一试验现象的意义在于,当工程岩体中存在大量的裂隙甚至是裂隙网络时,侧向压力固然能提高岩体抵抗压缩变形能力,但是岩体破坏形式仍然受控于裂隙网络的扩展演化。只要初始裂隙尖端应力条件满足破裂条件,裂隙就会扩展并最终导致岩体失稳。在地质条件较差的深埋软弱围岩巷道中,硐室的失稳大多基于此原因。而当岩体较为完整,同时侧向压力较高时,此时最易发生第三类表面剥落破坏,比较典型的是深埋水工隧洞开挖过程中岩爆现象的发生。

3.3 侧向压力对声发射特征的影响

在对试样连续加载的条件下,不同侧向压力条件下试样的声发射特征对比曲线如图11,12所示。图11,12表明,不同侧向压力条件下,其声发射随侧向压力变化具有如下特征:①在加载初期,单轴加载条件下试样的声发射活动随着载荷的增加逐渐增加,双轴压缩条件则在加载初期声发射活动就相对较为显著,并且在后期宏观裂隙产生和稳定扩展过程中能量的释放程度比较缓和,较少出现突然集中释放的现象;②相较于单轴压缩,存在侧向压力时试样加载过程中的声发射活动总体均处于较低水平,这一现象与文献[15]对不同三轴围压条件下煤样声发射特征的试验结果基本一致。

图11 不同侧向压力单裂隙试样声发射特征Fig.11 AE characteristics of the specimens with a single fracture under different lateral pressures

裂隙的扩展对应着能量的释放,显然,新生裂隙越细小,裂隙扩展过程所释放的能量也越低,声发射数量也会随之降低。对比不同侧向压力条件下试样的破坏形式可知,声发射特征与裂隙扩展及破坏现象是相吻合的。需要说明的是,图11,12中声发射总能量并不是试件加载过程中释放的绝对能量,而是声发射监测系统处理后的相对能量,为量纲为1的量。

3.4 侧向压力的影响机制分析

左建平等[16]通过对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试发现:材料的强度越高,加载初始阶段声发射活动越低,因此声发射能量和计数则越少。而声发射是指岩石或混凝土等脆性材料在破坏过程中以弹性波形式释放出来的瞬时应变能力现象,声发射活动低意味着加载过程中微破裂现象较少。

因此,通过声发射这一内部监测手段以及对宏观破坏形式分析,可以初步认为侧向压力对于强度特征和破坏形式影响的内在机制在于:①在静水围压的施加过程中的压密作用,使得试样宏观裂隙和微裂隙均出现不同程度的闭合,这在一定程度上增加了其抵抗压缩变形的能力;②侧向压力增大了宏观裂隙以及材料颗粒之间的摩擦因数,同时对微破裂有较强的抑制作用,因此改变了试样的失稳形式,并导致裂隙起裂和失稳的困难。

图12 不同侧向压力交叉裂隙试样声发射特征Fig.12 AE characteristics of the specimens with crossfractures under different lateral pressures

4 结 论

(1)双轴加载条件下,随着侧向压力的增加,应力-应变曲线延性逐渐增强,在峰后不会出现应力跌落,且随着侧向压力的进一步增大,曲线几乎呈现强化弹塑性变形特征。

(2)试样的破坏形式主要包括初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏和表面剥落破坏3种。在一定范围内,随着侧向压力的增加,完整试样破坏形式由侧向劈裂逐渐向表面剥落破坏转化,单裂隙试样则由初始裂隙起裂破坏形式向侧向劈裂破坏形式转化,交叉裂隙试样始终保持初始裂隙起裂破坏形式,但此时新生裂隙比单轴压缩条件下较为细小和曲折。

(3)侧向压力对强度特征有明显的影响。随着侧向压力的增加,试样的抗压强度、弹性模量均呈现抛物线增长趋势。所不同的是,随着侧向压力的增加,单裂隙试样强度参数的增加速率逐渐增大,而交叉裂隙试样的强度参数的增加速率逐渐降低。

(4)在双轴加载条件下,声发射特征曲线中波动幅度较小,同时声发射能量和计数都较单轴压缩有大幅的降低。

(5)侧向压力对试样强度和破坏形式的影响与其对压密作用以及对微破裂的抑制作用密切相关。

值得注意的是,文中选用的裂隙形式由工程岩体中复杂裂隙形式简化而成,目的是获得裂隙岩体的破坏形式和强度特征,进而为裂隙扩展机制及开挖失稳过程提供理论基础。考虑到工程岩体所处的应力状态和工程地质条件,试验与工程实际岩体在材料强度、加载方式与加载条件、开挖过程描述及裂隙形式等方面均存在一定的差异,如何将试验结论应用于实践工程将有待进一步深入研究。

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Effects of lateral pressure on failure modes and strength characteristics of fractured rock mass

LIU Xue-wei,LIU Quan-sheng,LIU Bin,PAN Yu-cong
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071, China)

A series of biaxial compression tests were carried out on the gypsum specimens with fractures using RMT-150C electrohydraulic sero machine and lateral pressure-adding equipment,which aimed to investigate the influences of lateral pressure on failure modes and strength characteristic.The experimental results indicate that:①With the increase of lateral pressure,the ductility of stress-strain curves increases and even shows typical plastic deformation characteristics.②For different lateral pressure,there are three types of failure modes:initial fractures propagation,lateral splitting and surface spalling.③The parameters including the compression strength,and the elastic modulus of specimens have a significant nonlinear relationship with lateral pressure.Furthermore,the acoustic emission(AE)monitoring results show that the lateral pressure will reduce the AE energy and number.The experimental results in this paper match well with previous literatures and the phenomenon of some engineering practices.

lateral pressure;fractured rock mass;failure mode;strength characteristic;acoustic emission

TD313

A

0253-9993(2014)12-2405-07

2013-12-14 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046904);国家自然科学基金资助项目(41130742);中国科学院重点部署资助项目(KZZD-EW-05-03)

刘学伟(1987—),男,湖北天门人,助理研究员,博士。E-mail:Liuxw87@126.com

刘学伟,刘泉声,刘 滨,等.侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响[J].煤炭学报,2014,39(12):2405-2411.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1865

Liu Xuewei,Liu Quansheng,Liu Bin,et al.Effects of lateral pressure on failure modes and strength characteristics of fractured rock mass [J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2405-2411.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1865