黃冬梅,朱盈盈,喬書昱,邢大千,王新照

(山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590)

巖石內(nèi)部存在各種孔裂隙等宏細觀缺陷結(jié)構(gòu),地下巖體工程中應(yīng)力會發(fā)生重分布,巖石中的孔隙與裂隙之間將進一步發(fā)生擴展、貫通破壞,對巖石的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響[1],會導(dǎo)致巖體滑坡等失穩(wěn)破壞,科學(xué)地評價含缺陷巖石的破裂模式、力學(xué)特性等,對于巖體穩(wěn)定性研究具有重要的實用價值[2]。因此,研究含孔洞裂隙巖體的破裂演化規(guī)律,可以更全面地掌握巖體的破壞模式和破壞機理。

含裂隙、孔隙等缺陷巖石的破壞模式是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容,對于石油以及煤礦的開采、巖體滑坡等均有工程意義。近年來,人們對含孔洞裂隙巖石的破裂演化過程進行了試驗與模擬研究[3-4]。邱加冬等[5-6]將試驗和模擬結(jié)合,研究孔洞缺陷對巖石強度的影響;劉紅巖等[7-8]結(jié)合室內(nèi)試驗研究了不同含孔洞裂隙試樣的破裂演化過程;張恒等[9]運用離散元分析系統(tǒng),結(jié)合室內(nèi)試驗研究了含雙裂隙試樣在不同巖橋傾角條件下的破裂演化過程;王浩然等[10-11]通過數(shù)值模擬,對含孔洞裂隙砂巖的力學(xué)性質(zhì)進行研究,并對其破裂模式進行研究;李楊楊等[12]采用物理模擬試驗的方法,制作復(fù)合缺陷類巖石試件,分析不同傾角對巖石裂紋擴展等的影響;王銳等[13]基于離散元理論,利用PFC3D數(shù)值模擬軟件對煤樣進行單軸壓縮和巴西劈裂模擬實驗,分析了煤樣宏細觀力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系;李守巨等[14]通過力學(xué)試驗確定細觀參數(shù)取值,并據(jù)此建立含缺陷巴西劈裂試件的PFC2D模型,提出了細觀參數(shù)的估計方法。

巖石內(nèi)部具有各種不同形態(tài)的缺陷,前人對含單一孔洞、裂隙及孔洞裂隙簡單組合等幾何形態(tài)的巖石進行了研究與探討,而對于含單孔洞-雙裂隙紅砂巖在不同裂隙開度及傾角條件下的力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律研究較少。為了進一步研究孔洞、裂隙組合形態(tài)的影響,本研究以新汶礦區(qū)紅砂巖為研究對象,建立含孔洞-雙裂隙幾何形態(tài)模型,通過室內(nèi)試驗與PFC2D數(shù)值模擬結(jié)合的方法,對含孔洞-雙裂隙紅砂巖宏細觀損傷特征進行分析,研究在不同裂隙傾角及裂隙開度條件下,含孔雙裂隙紅砂巖力學(xué)參數(shù)、聲發(fā)射特征、破壞模式的變化規(guī)律,為巖體內(nèi)部損傷破壞機理研究提供科學(xué)參考,對于地下工程巖體穩(wěn)定控制具有理論借鑒意義。

1 單軸壓縮試驗

砂巖是一種沉積巖,主構(gòu)穩(wěn)定。從新汶煤田鄂莊煤礦選取了典型砂巖紅砂巖,顏色主要為紅色。將試樣加工為50 mm×100 mm的圓柱體,單軸壓縮試驗使用島津AGX-250電子萬能試驗機,如圖1所示。試驗得到其單軸抗壓強度、彈性模量分別為123.69 MPa、7.26 GPa。

圖1 單軸壓縮試驗

2 顆粒離散元模型構(gòu)建

顆粒流程序(particle flow code,PFC)是采用離散元理論開發(fā)的數(shù)值軟件[15],在巖土領(lǐng)域用于模擬巖土材料力學(xué)性能[16]。

2.1 細觀參數(shù)標定與試驗驗證

本研究在PFC中建立與上述試樣等比例模型,如圖2所示。研究結(jié)果[17]表明,平行黏結(jié)能夠很好地反應(yīng)巖石的力學(xué)行為,故采用PFC2D軟件中的平行黏結(jié)模型進行模擬分析。

圖2 試樣模型圖

本次模擬采用位移加載法,調(diào)參采用“試錯法”[18],表1為最終得到的細觀參數(shù)。由圖3可知,試驗結(jié)果與模擬值有較高吻合度,能夠再現(xiàn)紅砂巖的力學(xué)行為,因此采用PFC數(shù)值模擬研究不同裂隙傾角和開度對含孔雙裂隙砂巖力學(xué)參數(shù)、破裂模式等的影響。

表1 紅砂巖顆粒流模擬細觀參數(shù)

圖3 試驗與模擬結(jié)果對比圖

2.2 模型建立

通過刪除模型中設(shè)定的裂隙區(qū)域中的顆粒,在完整砂巖模型中制作含孔雙裂隙的試樣。采用PFC2D建立16個含孔洞雙裂隙巖體模型,模型裂隙長度a=16 mm,兩裂隙間距為24 mm,孔洞半徑為2.5 mm,并設(shè)置4不同的裂隙開度b,分別為1、2、3、4 mm,以及4種不同裂隙傾角α,分別為0°、30°、60°、90°,如圖4所示,具體工況如表2所示。

表2 模擬試驗條件

圖4 模型幾何尺寸示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 宏觀力學(xué)特征及聲發(fā)射特征演化分析

通過數(shù)值模擬實驗,分析紅砂巖加載過程中的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射演化特征,根據(jù)力學(xué)參數(shù)的變化情況得出裂紋的萌生、擴展、演化發(fā)展規(guī)律。

3.1.1 宏觀力學(xué)特征分析

相較于不含缺陷的紅砂巖,含缺陷紅砂巖峰值強度和彈性模量均大幅度降低。以裂隙傾角為0°、裂隙開度1 mm為例,峰值強度降幅為31.7%,彈性模量降幅為16.5%,因此缺陷對砂巖的峰值強度和彈性模量具有明顯的劣化作用。圖5為峰值強度、彈性模量隨裂隙傾角、裂隙開度變化情況。

圖5 峰值強度、彈性模量隨裂隙傾角及裂隙開度的變化

如圖5(a)所示,隨著裂隙傾角的增加,峰值強度整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,整體增幅為55.9%;在裂隙開度大于1 mm時,隨著裂隙傾角的增加,其增高趨勢由平緩(增幅6.5%)到激增(增幅27.2%)再到平緩(增幅8.0%),說明在此開度下裂隙傾角由30°增加到60°時對峰值強度的影響較大。僅在裂隙開度為1 mm時,在開度的影響下,峰值強度隨裂隙傾角的增加其增高趨勢由平緩(增幅3.5%)到激增(增幅35.2%),但整體趨勢不變。由圖5(b)可以看出,峰值強度隨裂隙開度的變化幅度不超過18.5%,相較于裂隙傾角,在不同裂隙開度情況下峰值強度變化幅度較小。同樣的,彈性模量隨裂隙傾角、裂隙開度變化趨勢相似,彈性模量隨裂隙傾角的增加整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,且增幅達20.1%,彈性模量隨裂隙開度的增加變化幅度較小,僅為1.7%。因此砂巖的峰值強度和彈性模量與裂隙傾角間具有正相關(guān)關(guān)系,而裂隙開度的增加對試樣峰值強度和彈性模量影響較小。

3.1.2 聲發(fā)射振鈴計數(shù)演化分析

圖6為應(yīng)力應(yīng)變及聲發(fā)射關(guān)系曲線,根據(jù)聲發(fā)射數(shù)量,可以將聲發(fā)射過程分為3個階段。初始階段(I)聲發(fā)射事件幾乎為0,無裂紋產(chǎn)生,試樣內(nèi)部顆粒開始擠壓,但未產(chǎn)生黏結(jié)破壞,此時應(yīng)力應(yīng)變曲線處于彈性階段;萌發(fā)階段(II)聲發(fā)射事件依然很少,但是有逐漸增加的趨勢,開始有少量裂紋生成,黏結(jié)出現(xiàn)少量破壞,此時應(yīng)力應(yīng)變曲線處于微裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段;擴展階段(III)發(fā)生大量黏結(jié)破壞及裂紋生成,伴隨著聲發(fā)射事件急速上升,試樣產(chǎn)生了無法恢復(fù)的變形破壞,此時應(yīng)力應(yīng)變曲線處于破裂階段。含孔洞裂隙砂巖聲發(fā)射事件可能存在一個或多個聲發(fā)射波動現(xiàn)象,這是因為在缺陷的影響下試樣未完全貫通而存在殘余應(yīng)力,繼續(xù)加載,又會產(chǎn)生新的峰值。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射關(guān)系曲線

對各試樣聲發(fā)射計數(shù)情況進行統(tǒng)計,如圖7所示。從圖7(a)可以看出,聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)隨裂隙傾角的增大呈現(xiàn)先緩慢減少、后迅速增大的變化趨勢,在裂隙傾角為90°時累計振鈴計數(shù)增至1 761;圖7(b)顯示了累計振鈴計數(shù)隨裂隙開度的變化情況,隨著裂隙開度的增大,聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加再減小的變化趨勢。因此裂隙傾角及開度的增加對含孔洞雙裂隙紅砂巖聲發(fā)射的影響主要表現(xiàn)在聲發(fā)射頻率以及聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)方面。

圖7 累計振鈴計數(shù)與裂隙傾角及裂隙開度關(guān)系圖

3.2 裂紋擴展細觀特征分析

3.2.1 裂紋數(shù)量演化規(guī)律分析

以裂隙開度2 mm為例,不同裂隙傾角紅砂巖裂紋數(shù)量變化曲線如圖8所示。隨著加載的進行,當(dāng)裂隙傾角為0°時,裂紋萌發(fā)時先出現(xiàn)拉伸裂紋,試樣破壞過程中張拉裂紋明顯多于剪切裂紋,表明模型以拉伸破壞為主;當(dāng)傾角為30°時,裂紋萌發(fā)階段剪切裂紋多于拉伸裂紋,兩者均呈階梯狀增加,在裂紋擴展階段,拉伸裂紋數(shù)量迅速超越剪切裂紋,拉、剪裂紋數(shù)量比大致為2∶1,表明模型主要以拉伸破壞為主;當(dāng)傾角為60°時,裂紋萌發(fā)階段剪切裂紋多于拉伸裂紋,隨著加載的進行,拉伸裂紋數(shù)量逐漸超越剪切裂紋,表明模型主要以拉伸破壞為主;當(dāng)傾角為90°時,剪切裂紋與拉伸裂紋數(shù)量相近,且同時發(fā)育擴展,模型以拉剪混合破壞為主。試驗表明,隨著裂隙傾角的增加,剪切裂紋數(shù)量逐漸增加至與拉伸裂紋相近,破裂模式也由拉伸破壞變?yōu)槔艋旌掀茐摹?/p>

圖8 裂隙開度2 mm下不同裂隙傾角紅砂巖裂紋數(shù)量變化曲線

以裂隙傾角60°為例,不同裂隙開度紅砂巖裂紋數(shù)量變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出,不同裂隙開度試樣的初始裂紋均主要為剪切裂紋。隨著加載的進行,拉伸裂紋數(shù)量開始增多,逐漸超越剪切裂紋數(shù)量并占主導(dǎo)地位,表明4種開度的砂巖破裂模式均為拉伸破壞。

圖9 裂隙傾角60°下不同裂隙開度紅砂巖裂紋數(shù)量曲線

以裂隙開度2 mm、傾角0°試樣為例,以試樣內(nèi)部顆粒位移所指方向確定試樣的裂紋類型,如圖10(a)所示,可以看出裂紋為同一方向向兩邊發(fā)散擴展,表明試樣主要為拉伸破壞。以裂隙開度2 mm、傾角90°試樣為例,如圖10(b)所示,可以看出裂紋既有同一方向向兩邊發(fā)散擴展的,也有反方向擴展的,表明試樣主要為拉剪混合破壞,分析結(jié)果與上述一致。

圖10 不同工況模型位移場分布

3.2.2 不同裂隙傾角裂紋擴展細觀特征分析

將相同裂隙開度和不同裂隙傾角的試樣進行比較,可以清楚地看出不同裂隙傾角對紅砂巖破壞模式的影響。對比裂隙開度為2 mm的不同試樣,如圖11所示,圖中數(shù)字表示主裂紋、非主裂紋的萌生順序,不同的顏色代表不同的塊體。

圖11 裂隙開度2 mm時不同裂隙傾角的紅砂巖破裂模式

由圖11可知,在相同裂隙開度下,當(dāng)傾角為0°時,在下方裂隙尖端萌生出反翼型裂紋1和翼型裂紋2;繼續(xù)加載,裂紋2擴展形成崩落區(qū),最終與裂紋1匯合形成拉伸破裂,上方裂隙并未參與主裂紋的形成。當(dāng)裂隙傾角為30°時,試樣上部裂隙尖端同時萌生翼型裂紋1,并沿著應(yīng)力加載方向繼續(xù)擴展;隨著加載進行,斜次生裂紋2繼續(xù)向下擴展,與裂紋1匯合,且兩裂隙間形成近似正方形的破裂體,最終形成拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當(dāng)裂隙傾角為60°時,由于初始裂紋2和反翼型裂紋3在下部裂隙兩尖端萌發(fā)后繼續(xù)向上下端擴展,分別與裂紋2#、1#匯合,形成橢圓形崩落區(qū),最終導(dǎo)致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當(dāng)裂隙傾角為90°時,試樣上部分孔洞裂隙發(fā)生崩落擠壓變形,左邊緣萌發(fā)斜次生裂紋2和翼型裂紋1;繼續(xù)加載隨即產(chǎn)生次生裂紋1#和遠場裂紋4#并擴展匯合,最終裂紋2、裂紋1#與裂紋1匯合形成拉剪混合破裂,但下方裂隙未參與主裂紋的形成。

由圖11中還可看出,當(dāng)紅砂巖傾角為0°時,破碎程度較大,且僅一條裂隙參與主裂紋的形成;當(dāng)傾角為0～90°時,試樣兩裂隙間會產(chǎn)生崩落區(qū),且兩裂隙均參與主裂紋的形成;當(dāng)砂巖傾角為90°時,僅一條裂隙參與主裂紋的形成。因此,當(dāng)裂隙水平或垂直時,僅有一條裂隙參與主裂紋的形成;當(dāng)裂隙非水平或垂直時,兩裂隙之間產(chǎn)生崩落區(qū),且均參與主裂紋的形成。

3.2.3 不同裂隙開度裂紋擴展細觀特征分析

將相同裂隙傾角和不同裂隙開度的試樣進行比較,可以清楚地看出裂隙開度對紅砂巖破壞模式的影響。以裂隙傾角為60°試樣為例進行比較,圖12所示。由圖12可知,在相同裂隙傾角下,裂隙開度為1 mm時試樣由于裂隙開度很小,因此在力作用下裂隙上下面產(chǎn)生閉合現(xiàn)象,上下面之間產(chǎn)生摩擦力,導(dǎo)致上方翼型裂紋1#未繼續(xù)擴展,而下方裂隙在加載的壓力下產(chǎn)生翼型裂紋1和共面次生裂紋2,并向上下端繼續(xù)擴展,導(dǎo)致拉伸破壞,兩裂隙間產(chǎn)生崩落區(qū),破碎程度較小,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當(dāng)裂隙開度為2 mm時,由于初始裂紋2和反翼型裂紋3在下部裂隙兩尖端萌發(fā)后繼續(xù)向上下端擴展,分別與裂紋2#、1#匯合,形成橢圓形崩落區(qū),最終導(dǎo)致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成。當(dāng)裂隙開度為3 mm時,上方裂隙的翼型裂紋和反翼型裂紋擴展,并與下方翼型裂紋匯合導(dǎo)致試樣拉伸破壞。當(dāng)裂隙開度為4 mm時,上下兩裂隙的翼型和反翼型裂紋擴展匯合,并向上下兩面繼續(xù)擴展,導(dǎo)致拉伸破壞,兩裂隙均參與了主裂紋的形成,破碎程度較大。

圖12 裂隙傾角60°時不同裂隙開度的紅砂巖破裂模式

因此,隨著裂隙開度的增大,砂巖試樣的破碎程度逐漸增大,除裂隙開度為1 mm時因開度太小導(dǎo)致裂隙閉合未形成崩落區(qū)外,其余試樣均產(chǎn)生崩落區(qū),且崩落區(qū)范圍逐漸增大,4種開度砂巖裂隙均參與主裂紋的形成,其破裂模式較為相似。

4 結(jié)論

1) 紅砂巖的力學(xué)參數(shù)與裂隙傾角、開度密切相關(guān)。缺陷的存在對紅砂巖的峰值強度和彈性模量均有明顯劣化作用,砂巖的峰值強度、彈性模量與裂隙傾角具有正相關(guān)關(guān)系,裂隙開度的增加對砂巖峰值強度和彈性模量變化幅度影響較小。紅砂巖破壞過程中,隨著裂隙傾角的增大,聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)呈現(xiàn)前期緩慢減少、后期迅速增大的變化趨勢;隨著裂隙開度的增大,聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加再減小的變化趨勢。

2) 隨著裂隙傾角的增加,剪切裂紋數(shù)量逐漸增加至與拉伸裂紋相近,破裂模式也由拉伸破壞變?yōu)槔艋旌掀茐?4種不同開度的紅砂巖初始裂紋均主要為剪切裂紋,隨著加載的進行,拉伸裂紋超越剪切裂紋數(shù)量并占主導(dǎo)地位,破裂模式均為拉伸破壞。

3) 裂隙的存在會改變原有紅砂巖的破壞模式,當(dāng)裂隙傾角水平或垂直時,僅有一條裂隙參與主裂紋的形成,當(dāng)裂隙傾角非水平或非垂直時,兩裂隙之間產(chǎn)生崩落區(qū),且均參與主裂紋的形成;隨著裂隙開度的增大,砂巖試樣的破碎程度逐漸增大,除裂隙開度為1 mm時因開度太小導(dǎo)致裂隙閉合未形成崩落區(qū)外,其余試樣均產(chǎn)生崩落區(qū),且崩落區(qū)范圍逐漸增大,4種開度砂巖裂隙均參與主裂紋的形成,其破裂模式較為相似。