非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

闫振雄，王培涛，蒋成荣，吴国洋

(1.攀枝花学院钒钛学院，四川 攀枝花 617000；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

采矿工程中面对的岩体主要由结构体(岩石)和复杂结构面(节理、裂隙等)构成[1]。在某些情况下，结构体对岩体力学性质具有控制作用；在结构体强度很高时，主要是结构面的力学性质决定了岩体的力学性质[2]。随着采矿工程领域岩石力学问题研究的不断深入，已逐渐证实工程岩体的主要破坏形式为岩体内部节理裂隙的扩展和相互贯通[3-6]。因此，研究节理裂隙岩体的破坏规律对于采矿工程硐室开挖及稳定性分析具有重要的科学意义和工程价值。

目前对于节理裂隙岩体力学特性的研究，主要有现场大型原位试验和相似材料室内试验两种方法。由于成本高、技术不成熟等原因，开展现场大型原位试验的研究较少；而在相似材料室内试验方面，汪中林[7]、黄伟[8]采用预制裂隙类岩石材料对单轴压缩下裂隙岩体变形破坏机制进行了研究，预制裂隙的方法是采用薄钢片插入试件浆体，待浆体初凝后再将薄钢片抽出。采用这种方法制作的裂隙一般为贯通式或半贯通式平直裂隙，而无法制作复杂形态的嵌入式裂隙。近年来，随着3D打印技术的日趋成熟，复杂形态节理裂隙的实体建模成为可能，因而得到了岩石力学工作者的重视和应用。谢和平等[9]在探索深部岩体力学问题时指出，3D打印技术与应力冻结技术相结合将为实现裂隙岩体复杂结构与内部三维应力场分布的定量分析与可视化以及印证数值模拟分析结果提供一条有效途径；在其最新的研究成果中[10]，已运用该技术实现了砂砾岩模型复杂裂缝网络起裂扩展时全局三维应力场演化规律的直观观测和透明显示。王培涛等[1,11]采用PLA(聚乳酸)高分子材料，利用3D打印技术制作了裂隙网格实体模型，探讨了节理粗糙性、起伏角和波动幅值对裂隙岩体模型单轴抗压和抗剪力学特性的影响规律。王本鑫等[12]采用3D打印技术制作了无节理完整试件和非贯通平行四节理试件，结合CT扫描技术对试件内部裂隙产生、扩展、贯通演化规律进行了研究，为3D打印技术在岩石力学领域的适用性提供了有益参考。

本文针对嵌入式非贯通节理对岩石力学特性的影响，基于3D打印技术建立了正弦型节理实体模型，制备了含嵌入式非贯通节理的类岩石试件，开展了单轴压缩试验研究，探讨了不同角度非贯通单节理和双节理对类岩石试件单轴抗压强度的影响，初步揭示了含单节理、双节理裂隙岩体的单轴压缩力学特性。

1 正弦型节理3D打印

试验采用的3D打印机型号为Tier Time UP mini Plus 2，如图1(a)所示。打印机喷头直径为0.4 mm，打印精度为0.15 mm，可打印模型的最大尺寸为120 mm×120 mm×120 mm(长×宽×高)。打印材料选用ABS塑料线材，经喷头(工作温度约为260 ℃)熔融后分层堆叠于平台制成样本。打印层厚和填充方式是3D打印两个重要的技术参数，根据打印模型的差异，每层厚度可设定在0.20～0.35 mm，本研究中设置打印层厚为0.20 mm；填充方式决定了模型内部的支撑结构，如图1(b)所示，根据内部充填网格的密集程度分别定义为“坚固”“松散”“中空”和“大孔”，考虑到本研究中设置的节理厚度为1 mm，因此选择的填充方式为“坚固”。

图1 Tier Time UP mini Plus 2型号3D打印机Fig.1 Tier Time UP mini Plus 2 printing system

正弦型单节理的建立分为以下几个步骤：①利用AutoCAD建立正弦型节理的二维面域图形，面域宽度为1 mm，长度为60 mm，如图2(a)所示；②采用“Extrude”命令对该面域图形进行拉伸，拉伸高度为75 mm，得到正弦型节理的三维模型，如图2(b)所示；③由AutoCAD输出模型的“.STL”格式文件，导入UP打印软件并完成参数设置，制备得到正弦型节理模型，如图2(c)所示。 模型长度为60 mm，厚度为1 mm，高度为75 mm，波动峰值为±5 mm。

2 单轴压缩室内试验

2.1 试件制作

节理模型制作完成后，即可浇筑类岩石试件。浇筑方法如图3所示：①选用425普通硅酸盐水泥为细骨料，粒径较为均匀的河砂为粗骨料，水为胶结剂，以质量配比4∶5∶1.6混合均匀，浇入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的ABS模型中，如图3(a)所示；②将制作好的正弦型节理插入振动完毕的水泥砂浆中，如图3(b)所示，养护72 h；③养护完成脱模后在试件顶部进行标记，如图3(c)所示为含倾角30°的单节理类岩石试件。本次实验共制作完整类岩石试件4块，单节理类岩石试件3块(节理角度分别为30°，45°，60°)及双节理类岩石试件3块(节理角度分别为30°、45°，30°、60°，45°、60°)。

图2 正弦型节理3D打印流程Fig.2 3D printing process of sinusoidal joint

2.2 单轴压缩试验结果及分析

单轴压缩试验采用攀枝花学院RFP-09型智能测力仪，轴向加载力50～3 000 kN，加载精度大于0.5%，可用于100 mm×100 mm、150 mm×150 mm、200 mm×200 mm及非标试件、任意截面试件抗压试验。试验结果及分析如下所述。

1) 完整类岩石试件。完整类岩石试件编号分别为1-1、1-2、1-3、1-4，单轴压缩试验结果见表1。由表1可知，类岩石试件的单轴抗压强度均达到水泥标号(σ0=42.5 MPa)的90%以上，不同试件的强度值较为接近，波动幅度较小；试件的平均单轴抗压强度为σav=39.5 MPa，接近水泥标号的93%，因此可将39.5 MPa作为此次试验中完整类岩石试件的标准单轴抗压强度，以此衡量单节理和双节理对类岩石试件单轴抗压强度的影响。

表1 完整类岩石试件的单轴抗压强度Table 1 Uniaxial compressive strength of rock-like specimens

完整类岩石试件的破坏形式如图4所示。试件1-1表现为典型的拉伸破坏，即试件中的横向拉应力超过了岩石的抗拉极限，这是泊松效应的结果；试件1-3表现为压-剪破坏，破坏面法线与荷载轴线呈一定夹角；试件1-2、试件1-4达到峰值强度时，试件表面出现较多的细小裂纹，未出现明显的贯通裂隙，此类试件的单轴抗压强度和残余强度略高于试件1-1和试件1-3。

2) 单节理类岩石试件。单节理类岩石试件编号分别为1-30、1-45、1-60，单轴压缩试验结果见表2。由表2可知，含单节理类岩石试件的单轴抗压强度均小于完整类岩石试件的单轴抗压强度(σav=39.5 MPa)，其中试件1-30的强度降低幅度较大，仅为水泥标号的85.88%，说明节理的存在削弱了岩石的承载能力；随着单节理角度的增大，试件的单轴抗压强度逐渐增大，变化趋势如图5所示，这主要与节理面切割度和节理面法向应力有关，即节理面切割度越小，节理面法向应力越大，则该节理面的剪切强度越大，试件破坏时单轴抗压强度越大。试件的单轴压缩破坏形式如图6所示。由图6可知， 均为沿节理所在平面发生剪切破坏，说明既有节理的存在能够控制试件中裂隙的产生位置和发展方向。

图4 完整类岩石试件的破坏形式Fig.4 Failure mode of rock-like specimens

表2 单节理类岩石试件的单轴抗压强度Table 2 Uniaxial compressive strength of singlejointed rock-like specimens

图5 单节理类岩石试件单轴抗压强度变化关系Fig.5 Uniaxial compression strength ofsingle jointed rock-like specimens

图6 单节理类岩石试件的破坏形式Fig.6 Failure mode of single jointed rock-like specimens

3) 双节理类岩石试件。双节理类岩石试件编号分别为2-3045、2-3060、2-4560，单轴压缩试验结果见表3。由表3可知，双节理类岩石试件的单轴抗压强度较完整类岩石试件大幅度降低，其平均单轴抗压强度仅为水泥标号的72.47%。试件的单轴压缩破坏形式如图7所示。由图7可知，在单轴压缩过程中，试件内部裂隙发育、贯通程度较高，破坏后的试件非常破碎，基本上不具有残余强度。

3 结 论

1) 采用3D打印技术建立了正弦型节理三维实体模型，制备了含嵌入式正弦型节理的类岩石试件，初步实现了含复杂形态节理岩体的单轴压缩试验，为裂隙岩体力学特性分析提供了有益借鉴。

表3 双节理类岩石试件的单轴抗压强度Table 3 Uniaxial compressive strength of doublejointed rock-like specimens

图7 双节理类岩石试件的破坏形式Fig.7 Failure mode of double jointed rock-like specimens

2) 含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件，且随节理数量的增加，类岩石试件的单轴抗压强度降低幅度增大。

3) 对于单节理类岩石试件，破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏；且受节理面切割度和节理面法向应力的影响，其单轴抗压强度随节理倾角的增大而增大。

4 讨 论

天然岩体中的结构面几何分布十分复杂，主要表现为类弧形、三角形、矩形等形态[11]。不同几何形态的结构面(尤其是节理起伏角和波动幅值)对试件在单轴压缩状态下的强度和破坏形式有直接影响。本文仅对特定起伏角、特定波动幅值、特定长度的正弦型单节理、双节理对类岩石试件力学特性的影响规律进行了试验研究,为了更加全面地揭示结构面对岩体力学性质的影响,下一步的研究方向主要集中在以下两个方面。

1) 考虑量级上的差距，进一步研究含多个正弦的单条节理、正弦+三角形组合的单条节理、正弦+矩形组合的单条节理等类岩石试件的力学特性。

2) 考虑采矿时围岩的差异性，通过改变水灰比制作与花岗岩、砂岩、灰岩等多种岩石相似的类岩石试件，从而研究节理对不同岩性裂隙岩体力学特性的影响规律。