閆振雄，王培濤，蔣成榮，吳國洋

(1.攀枝花學院釩鈦學院，四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

采礦工程中面對的巖體主要由結(jié)構(gòu)體(巖石)和復雜結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙等)構(gòu)成[1]。在某些情況下，結(jié)構(gòu)體對巖體力學性質(zhì)具有控制作用；在結(jié)構(gòu)體強度很高時，主要是結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)決定了巖體的力學性質(zhì)[2]。隨著采礦工程領域巖石力學問題研究的不斷深入，已逐漸證實工程巖體的主要破壞形式為巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙的擴展和相互貫通[3-6]。因此，研究節(jié)理裂隙巖體的破壞規(guī)律對于采礦工程硐室開挖及穩(wěn)定性分析具有重要的科學意義和工程價值。

目前對于節(jié)理裂隙巖體力學特性的研究，主要有現(xiàn)場大型原位試驗和相似材料室內(nèi)試驗兩種方法。由于成本高、技術(shù)不成熟等原因，開展現(xiàn)場大型原位試驗的研究較少；而在相似材料室內(nèi)試驗方面，汪中林[7]、黃偉[8]采用預制裂隙類巖石材料對單軸壓縮下裂隙巖體變形破壞機制進行了研究，預制裂隙的方法是采用薄鋼片插入試件漿體，待漿體初凝后再將薄鋼片抽出。采用這種方法制作的裂隙一般為貫通式或半貫通式平直裂隙，而無法制作復雜形態(tài)的嵌入式裂隙。近年來，隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟，復雜形態(tài)節(jié)理裂隙的實體建模成為可能，因而得到了巖石力學工作者的重視和應用。謝和平等[9]在探索深部巖體力學問題時指出，3D打印技術(shù)與應力凍結(jié)技術(shù)相結(jié)合將為實現(xiàn)裂隙巖體復雜結(jié)構(gòu)與內(nèi)部三維應力場分布的定量分析與可視化以及印證數(shù)值模擬分析結(jié)果提供一條有效途徑；在其最新的研究成果中[10]，已運用該技術(shù)實現(xiàn)了砂礫巖模型復雜裂縫網(wǎng)絡起裂擴展時全局三維應力場演化規(guī)律的直觀觀測和透明顯示。王培濤等[1,11]采用PLA(聚乳酸)高分子材料，利用3D打印技術(shù)制作了裂隙網(wǎng)格實體模型，探討了節(jié)理粗糙性、起伏角和波動幅值對裂隙巖體模型單軸抗壓和抗剪力學特性的影響規(guī)律。王本鑫等[12]采用3D打印技術(shù)制作了無節(jié)理完整試件和非貫通平行四節(jié)理試件，結(jié)合CT掃描技術(shù)對試件內(nèi)部裂隙產(chǎn)生、擴展、貫通演化規(guī)律進行了研究，為3D打印技術(shù)在巖石力學領域的適用性提供了有益參考。

本文針對嵌入式非貫通節(jié)理對巖石力學特性的影響，基于3D打印技術(shù)建立了正弦型節(jié)理實體模型，制備了含嵌入式非貫通節(jié)理的類巖石試件，開展了單軸壓縮試驗研究，探討了不同角度非貫通單節(jié)理和雙節(jié)理對類巖石試件單軸抗壓強度的影響，初步揭示了含單節(jié)理、雙節(jié)理裂隙巖體的單軸壓縮力學特性。

1 正弦型節(jié)理3D打印

試驗采用的3D打印機型號為Tier Time UP mini Plus 2，如圖1(a)所示。打印機噴頭直徑為0.4 mm，打印精度為0.15 mm，可打印模型的最大尺寸為120 mm×120 mm×120 mm(長×寬×高)。打印材料選用ABS塑料線材，經(jīng)噴頭(工作溫度約為260 ℃)熔融后分層堆疊于平臺制成樣本。打印層厚和填充方式是3D打印兩個重要的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)打印模型的差異，每層厚度可設定在0.20～0.35 mm，本研究中設置打印層厚為0.20 mm；填充方式?jīng)Q定了模型內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，根據(jù)內(nèi)部充填網(wǎng)格的密集程度分別定義為“堅固”“松散”“中空”和“大孔”，考慮到本研究中設置的節(jié)理厚度為1 mm，因此選擇的填充方式為“堅固”。

圖1 Tier Time UP mini Plus 2型號3D打印機Fig.1 Tier Time UP mini Plus 2 printing system

正弦型單節(jié)理的建立分為以下幾個步驟：①利用AutoCAD建立正弦型節(jié)理的二維面域圖形，面域?qū)挾葹? mm，長度為60 mm，如圖2(a)所示；②采用“Extrude”命令對該面域圖形進行拉伸，拉伸高度為75 mm，得到正弦型節(jié)理的三維模型，如圖2(b)所示；③由AutoCAD輸出模型的“.STL”格式文件，導入UP打印軟件并完成參數(shù)設置，制備得到正弦型節(jié)理模型，如圖2(c)所示。 模型長度為60 mm，厚度為1 mm，高度為75 mm，波動峰值為±5 mm。

2 單軸壓縮室內(nèi)試驗

2.1 試件制作

節(jié)理模型制作完成后，即可澆筑類巖石試件。澆筑方法如圖3所示：①選用425普通硅酸鹽水泥為細骨料，粒徑較為均勻的河砂為粗骨料，水為膠結(jié)劑，以質(zhì)量配比4∶5∶1.6混合均勻，澆入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的ABS模型中，如圖3(a)所示；②將制作好的正弦型節(jié)理插入振動完畢的水泥砂漿中，如圖3(b)所示，養(yǎng)護72 h；③養(yǎng)護完成脫模后在試件頂部進行標記，如圖3(c)所示為含傾角30°的單節(jié)理類巖石試件。本次實驗共制作完整類巖石試件4塊，單節(jié)理類巖石試件3塊(節(jié)理角度分別為30°，45°，60°)及雙節(jié)理類巖石試件3塊(節(jié)理角度分別為30°、45°，30°、60°，45°、60°)。

圖2 正弦型節(jié)理3D打印流程Fig.2 3D printing process of sinusoidal joint

2.2 單軸壓縮試驗結(jié)果及分析

單軸壓縮試驗采用攀枝花學院RFP-09型智能測力儀，軸向加載力50～3 000 kN，加載精度大于0.5%，可用于100 mm×100 mm、150 mm×150 mm、200 mm×200 mm及非標試件、任意截面試件抗壓試驗。試驗結(jié)果及分析如下所述。

1) 完整類巖石試件。完整類巖石試件編號分別為1-1、1-2、1-3、1-4，單軸壓縮試驗結(jié)果見表1。由表1可知，類巖石試件的單軸抗壓強度均達到水泥標號(σ0=42.5 MPa)的90%以上，不同試件的強度值較為接近，波動幅度較??；試件的平均單軸抗壓強度為σav=39.5 MPa，接近水泥標號的93%，因此可將39.5 MPa作為此次試驗中完整類巖石試件的標準單軸抗壓強度，以此衡量單節(jié)理和雙節(jié)理對類巖石試件單軸抗壓強度的影響。

表1 完整類巖石試件的單軸抗壓強度Table 1 Uniaxial compressive strength of rock-like specimens

完整類巖石試件的破壞形式如圖4所示。試件1-1表現(xiàn)為典型的拉伸破壞，即試件中的橫向拉應力超過了巖石的抗拉極限，這是泊松效應的結(jié)果；試件1-3表現(xiàn)為壓-剪破壞，破壞面法線與荷載軸線呈一定夾角；試件1-2、試件1-4達到峰值強度時，試件表面出現(xiàn)較多的細小裂紋，未出現(xiàn)明顯的貫通裂隙，此類試件的單軸抗壓強度和殘余強度略高于試件1-1和試件1-3。

2) 單節(jié)理類巖石試件。單節(jié)理類巖石試件編號分別為1-30、1-45、1-60，單軸壓縮試驗結(jié)果見表2。由表2可知，含單節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強度均小于完整類巖石試件的單軸抗壓強度(σav=39.5 MPa)，其中試件1-30的強度降低幅度較大，僅為水泥標號的85.88%，說明節(jié)理的存在削弱了巖石的承載能力；隨著單節(jié)理角度的增大，試件的單軸抗壓強度逐漸增大，變化趨勢如圖5所示，這主要與節(jié)理面切割度和節(jié)理面法向應力有關，即節(jié)理面切割度越小，節(jié)理面法向應力越大，則該節(jié)理面的剪切強度越大，試件破壞時單軸抗壓強度越大。試件的單軸壓縮破壞形式如圖6所示。由圖6可知， 均為沿節(jié)理所在平面發(fā)生剪切破壞，說明既有節(jié)理的存在能夠控制試件中裂隙的產(chǎn)生位置和發(fā)展方向。

圖4 完整類巖石試件的破壞形式Fig.4 Failure mode of rock-like specimens

表2 單節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強度Table 2 Uniaxial compressive strength of singlejointed rock-like specimens

圖5 單節(jié)理類巖石試件單軸抗壓強度變化關系Fig.5 Uniaxial compression strength ofsingle jointed rock-like specimens

圖6 單節(jié)理類巖石試件的破壞形式Fig.6 Failure mode of single jointed rock-like specimens

3) 雙節(jié)理類巖石試件。雙節(jié)理類巖石試件編號分別為2-3045、2-3060、2-4560，單軸壓縮試驗結(jié)果見表3。由表3可知，雙節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強度較完整類巖石試件大幅度降低，其平均單軸抗壓強度僅為水泥標號的72.47%。試件的單軸壓縮破壞形式如圖7所示。由圖7可知，在單軸壓縮過程中，試件內(nèi)部裂隙發(fā)育、貫通程度較高，破壞后的試件非常破碎，基本上不具有殘余強度。

3 結(jié) 論

1) 采用3D打印技術(shù)建立了正弦型節(jié)理三維實體模型，制備了含嵌入式正弦型節(jié)理的類巖石試件，初步實現(xiàn)了含復雜形態(tài)節(jié)理巖體的單軸壓縮試驗，為裂隙巖體力學特性分析提供了有益借鑒。

表3 雙節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強度Table 3 Uniaxial compressive strength of doublejointed rock-like specimens

圖7 雙節(jié)理類巖石試件的破壞形式Fig.7 Failure mode of double jointed rock-like specimens

2) 含節(jié)理類巖石試件的單軸抗壓強度低于完整類巖石試件，且隨節(jié)理數(shù)量的增加，類巖石試件的單軸抗壓強度降低幅度增大。

3) 對于單節(jié)理類巖石試件，破壞形式均為沿節(jié)理所在平面發(fā)生剪切破壞；且受節(jié)理面切割度和節(jié)理面法向應力的影響，其單軸抗壓強度隨節(jié)理傾角的增大而增大。

4 討 論

天然巖體中的結(jié)構(gòu)面幾何分布十分復雜，主要表現(xiàn)為類弧形、三角形、矩形等形態(tài)[11]。不同幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)面(尤其是節(jié)理起伏角和波動幅值)對試件在單軸壓縮狀態(tài)下的強度和破壞形式有直接影響。本文僅對特定起伏角、特定波動幅值、特定長度的正弦型單節(jié)理、雙節(jié)理對類巖石試件力學特性的影響規(guī)律進行了試驗研究,為了更加全面地揭示結(jié)構(gòu)面對巖體力學性質(zhì)的影響,下一步的研究方向主要集中在以下兩個方面。

1) 考慮量級上的差距，進一步研究含多個正弦的單條節(jié)理、正弦+三角形組合的單條節(jié)理、正弦+矩形組合的單條節(jié)理等類巖石試件的力學特性。

2) 考慮采礦時圍巖的差異性，通過改變水灰比制作與花崗巖、砂巖、灰?guī)r等多種巖石相似的類巖石試件，從而研究節(jié)理對不同巖性裂隙巖體力學特性的影響規(guī)律。