天然微裂隙对白云岩力学性质影响的试验研究

赵叶江，陈 旭

（贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550000）

微裂隙是岩石材料较为显著的力学特征之一，主要包括原生裂隙、构造裂隙和次生裂隙，其成因主要是成岩过程中形成的裂隙或空洞、构造作用和卸荷行为以及人为取样行为。因此，在岩石材料中由于存在微裂隙且它会逐渐发展，对岩石材料的力学性质有重要影响。现阶段，国内外学者对岩石材料微裂隙的研究成果均表明裂隙对岩石材料的力学性质影响十分明显；虽然发现了一定的规律，但是还不够全面，特别是微裂隙对白云岩的力学性质影响研究方面。白云岩分布十分广泛，因而研究微裂隙对其力学性质的影响规律十分必要。鉴于此，文章在已有研究的基础上，从天然微裂隙密度及微裂隙倾角对白云岩力学性质影响的角度出发，探究天然微裂隙对白云岩力学性质影响的变化规律。

1 单轴压缩试验方案

1.1 试验样品与制备

此次试验的样品取自贵州贵阳某隧道工程的白云岩，对所取试样进行SEM电镜扫描得其主要的微观结构，如图1所示。

图1 白云岩试样的微观结构

由图1可知，试样的微观结构主要表现为雾状、根状和台阶状三种结构类型。从外观上看，雾状和台阶状的天然微裂隙较少，而根状结构的试样天然微裂隙较多，可见天然微裂隙主要产生于根状结构。

1.2 天然微裂隙的确定及量化

为确定白云岩天然微裂隙的裂隙长度力学试验中白云岩内部微裂隙对白云岩强度特性、变形特性及破坏模式的影响，采用以下方法对试件的微裂隙（包括微裂隙数量、微裂隙长度以及微裂隙相对试件轴向的倾角）进行统计，具体步骤如下：（1）用素描纸对白云岩试件的微裂隙进行素描，在光线充足的条件下，借助光学放大镜先用记号笔对岩石试件表面所能观察到的毫米级裂隙（长度为10～100mm，宽度为0.01～1mm）进行描绘，得到试件的微裂缝分布如图2（a）所示。（2）将画好的素描图导入CAD软件，即将素描好的裂隙分布图拓印到白纸上，再把白纸上的裂隙分布图扫描导入CAD软件，通过CAD软件对试件微裂隙的素描图进行计算分析，可得到微裂隙的数量、长度以及微裂隙相对试件轴向的倾角，如图2（b）所示。

图2 白云岩天然微裂隙的量化过程

由统计分析得到代表性试样天然微裂隙密度Ka的分布区间结果如图3所示。由统计结果可知，所取岩样的微裂隙密度在0.0015～0.042mm/条，其平均值为0.024mm/条。

图3 岩石试样的微裂隙密度分布范围

1.3 岩石试样分组

由微裂隙统计数据分析可知，按照微裂隙密度将岩石试样分为4组，按微裂隙倾角将岩石试样分为5组，具体分组情况如表1、表2所示。

表1 岩石试样按微裂隙密度分组情况

表2 岩石试样按微裂隙倾角分组情况

2 试验结果

抗压强度和弹性模量作为岩石材料重要的力学、变形参数，在描述岩石力学特性以及工程应用中有着十分重要的作用。

2.1 微裂隙对应力应变关系的影响

由压缩试验结果得到各个岩石试样应力应变关系曲线，如图4所示。

图4 不同微裂隙密度下的应力应变关系曲线

由图4可知，该岩石试样的应力应变关系曲线为第Ⅰ类曲线，且岩石试样在不同微裂隙密度下，应力随应变的不断增加而增大；但随着微裂隙密度的不断增大，每个岩石试样的单轴抗压强度在降低。可以看出，微裂隙密度是影响岩石单轴抗压强度的重要因素之一。由图4（a）可知，在台阶状、雾状以及根状三种主要的微观结构中，台阶结构的力学性质最好，根状结构的力学性质最差；微裂隙密度越大，岩石试样的根状微观结构分布越密集，对力学性质的影响越大，即随微裂隙密度增大，岩石的抗压强度大幅度降低。

2.2 微裂隙对单轴抗压强度的影响

根据试验数据及计算得到抗压强度与微裂隙密度、微裂隙倾角关系变化规律，如图5、图6所示。由图5可知，在微裂隙密度为0～0.010mm/条、0.010～0.020mm/条、0.020～0.035mm/条以及0.035～ 0.045mm/条，岩石试样的抗压强度随微裂隙密度的增大而减小，且变化幅度较为明显。由图6可知，在微裂隙密度相同的情况下，微裂隙倾角的变化对多裂隙岩石材料的强度影响规律较为显著，即抗压强度随微裂隙倾角的增大呈先减小后增大的变化规律。总体而言，单轴压缩试验条件下，含微裂隙岩石试样的抗压极限强度随微裂隙倾角的增大呈逐渐增大的变化趋势。

图5 单轴抗压强度与微裂隙密度的关系

图6 单轴抗压强度与微裂隙倾角的关系

2.3 微裂隙对弹性模量的影响

弹性模量是岩石材料变形规律研究的重要参数，根据试验数据及计算得到岩石试样的弹性模量随微裂隙密度变化关系曲线如图7所示。由图7可知，在微裂隙密度为0～0.010mm/条、0.010～ 0.020mm/条、0.020～0.035mm/条以及0.0350.045mm/条，岩石试样的弹性模量随微裂隙密度的增大而减小，且变化幅度较为明显。

图7 弹性模量与微裂隙密度的关系

3 结论

（1）在单轴压缩试验中，白云岩的应力应变关系曲线为Ⅰ类曲线，微裂隙主要由根状微观结构控制。

（2）白云岩的单轴压缩强度变化值为50.36～157.30MPa，弹性模量为21.86～66.71GPa，抗压强度和弹性模量均随微裂隙密度的增大而减小且微裂隙密度在0.010～0.020mm/条变化幅度最为明显。

（3）随微裂隙倾角的增大，抗压强度先减小后增大，但在微裂隙倾角大于45°时，这种影响作用不明显，表现为波动影响。

（4）根据试验结果微裂隙密度、微裂隙倾角对岩石试样的强度特性和弹性模量变化幅度影响较大。随着微裂隙密度的增大，岩石试样的单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低。

（5）文章只从宏观力学的角度研究了微裂隙密度、微裂隙倾角对白云岩力学性质的影响，其具体的微观破坏影响因素及力学破坏机理还有待进一步研究讨论。