沈順超, 肖桃李*, 折海成,2, 陳祥

(1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 荊州 434023; 2. 油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué)), 武漢 430100)

自然界中,巖體內(nèi)部普遍存在著錯綜復(fù)雜的裂隙,這些裂隙的幾何形態(tài)嚴(yán)重影響巖體構(gòu)筑物的穩(wěn)定性,嚴(yán)重制約著如礦業(yè)、水利、油氣開采等國家重大工程的發(fā)展。裂隙的長度、傾角和形狀在誘使巖體發(fā)生裂紋萌生、擴(kuò)展與失穩(wěn)破壞中起著重要作用[1-2],因此,開展對裂隙巖體的損傷破壞研究,獲取其力學(xué)損傷特性與裂紋擴(kuò)展規(guī)律,對評價巖體工程的施工安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

工程巖體中,裂隙大多以交叉形式存在[3-4],針對裂隙巖體的裂紋演化和力學(xué)性質(zhì),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中,Chang等[5]對交叉節(jié)理巖樣進(jìn)行單軸試驗(yàn),提出了貫通多節(jié)理巖石試樣強(qiáng)度計(jì)算公式。鄒前進(jìn)等[6]對“X”形裂隙類巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相比完整樣,裂隙巖體的彈性模量、峰值強(qiáng)度和彈性應(yīng)變能明顯下降。汪學(xué)清等[7]對含交叉裂隙試件開展了不同加載速率單軸壓縮試驗(yàn),結(jié)果表明,在低加載速率下,試件破壞以拉伸破壞為主;在高加載速率下,試件以剪切破壞為主。周慧穎等[8]開展了含“V”形裂隙巖石試樣的單軸壓縮光彈性試驗(yàn),結(jié)果顯示,巖石強(qiáng)度隨裂隙傾角增加而增加,且強(qiáng)度增長速率不斷減小。李祥等[9]對含“X”與“V”形裂隙的巖石試樣加載,得出不同裂隙角度與裂隙長度會改變裂隙的萌生、擴(kuò)展及最終的破壞狀態(tài),裂隙的存在會削弱巖石試樣的強(qiáng)度。Liu等[10]對含“T”形裂隙石膏試樣進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn),觀察到9種類型裂紋,并指出在低圍壓下幾乎不會出現(xiàn)側(cè)向劈裂破壞。

近年來,數(shù)字圖像處理(digital image processing,DIC)、離散元模擬(particle flow code,PFC)、聲發(fā)射等技術(shù)等被廣泛用于室內(nèi)試驗(yàn)對巖石破裂模式與裂隙擴(kuò)展過程的研究。武旭等[11]對正交型交叉裂隙巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn)并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行分析,指出裂隙與加載方向的夾角是影響巖石強(qiáng)度的最主要因素,同時得出主裂隙或次裂隙端部更容易產(chǎn)生起裂破壞,起裂位置與預(yù)制裂隙傾角息息相關(guān)。金愛兵等[12]采用DIC技術(shù)對3D打印的交叉裂隙巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),得出隨著裂隙間交叉角度的增大,試件強(qiáng)度先升高后降低,同時指出次節(jié)理裂隙主要影響巖石破裂強(qiáng)度的峰后階段。舒楊等[13]利用PFC2D模擬交叉裂隙直剪試驗(yàn),觀察到隨著法向應(yīng)力的增大,巖樣破壞模式由雙裂隙共同控制變?yōu)閱瘟严吨鲗?dǎo)。梁東旭等[14]利用離散元3D Y-HFDEM代碼計(jì)算含預(yù)制交叉裂隙巖石試樣的裂紋擴(kuò)展,觀察到隨主裂隙與軸向荷載的增加,拉伸裂紋數(shù)量增加,巖石起裂應(yīng)力與主裂隙夾角成正比。

以上,通過總結(jié)近年來交叉裂隙巖石相關(guān)研究文獻(xiàn),可以得出,目前對交叉裂隙類型巖石破壞的研究較少,既有的研究內(nèi)容多側(cè)重于巖石破壞的應(yīng)力、應(yīng)變特征以及最終破壞模式等,對含交叉裂隙巖樣受壓破壞過程中裂紋的萌生、發(fā)展少有關(guān)注,對交叉裂隙在巖樣破壞過程中誰占主導(dǎo)裂隙這一問題也尚無明確的判定方法。因此,在前人研究基礎(chǔ)上,現(xiàn)預(yù)制“X”形裂隙砂巖樣,進(jìn)行單軸加載并結(jié)合DIC拍照,主要關(guān)注壓縮過程中裂紋的起裂、擴(kuò)展,并嘗試從試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)總結(jié)“X”形裂隙中主控制裂隙的斷定方法,以期能為后續(xù)的研究提供借鑒指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

現(xiàn)場取樣往往難以獲取特定裂隙形態(tài)的巖樣,且用天然巖石進(jìn)行裂隙加工難度較大,可操作性低。在巖石力學(xué)強(qiáng)度與裂隙擴(kuò)展研究中,前人一般采用類巖石材料代替真實(shí)巖樣,并取得了一系列的進(jìn)展與成果[3,7,15],采取類似方法,通過人工預(yù)制含交叉裂隙砂巖巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究,最終巖樣配比如下:32.5R普通硅酸鹽水泥∶石英砂∶水∶消泡劑=1∶0.7∶0.35∶0.003(質(zhì)量比)。制備的巖樣尺寸為145 mm×70 mm×70 mm,預(yù)制裂隙主裂隙長度40 mm,次裂隙長度30 mm,如圖1所示。交叉裂隙主裂隙與水平方向傾角(α)依次取值0°、30°、45°、60°和90°,次裂隙與主裂隙方向傾角(β)取值0°、30°、45°、60°和90°,巖樣編號具體見表1。例如,編號45-90表示主裂隙傾角為45°,次裂隙傾角為90°的巖樣。其中,預(yù)制裂隙采用預(yù)埋鋼薄片法生成,預(yù)制裂隙厚度為0.5 mm。

圖1 交叉裂隙幾何特征與散斑示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample with cross cracks

表1 試驗(yàn)方案和巖樣編號Table 1 Test plan and rock sample number

為了探討不同類型的交叉裂隙對巖石力學(xué)特性與裂紋擴(kuò)展的影響,減小因?yàn)樵嚇颖旧聿馁|(zhì)不均對試驗(yàn)結(jié)果的影響,每種試樣嚴(yán)格按同一配比預(yù)制3個,并連續(xù)在一段時間內(nèi)澆筑完成,24 h脫模后全部放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)28 d,然后取出,使用啞光白漆噴涂巖樣,靜置晾干后使用黑色油性筆在巖樣表面點(diǎn)上隨機(jī)均勻分布的散斑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與加載方案

試驗(yàn)設(shè)備主要由單軸加載系統(tǒng)與DIC系統(tǒng)組成,如圖2所示。加載選用上海松頓機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)WAW-1000B微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),采用位移控制加壓法,以恒定0.5 mm/min的加載速率加載直至試件破壞;加載試驗(yàn)中全程使用DIC測量系統(tǒng)實(shí)時拍照,記錄頻率為1張/s。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test equipment

2 主、次裂隙傾角對巖樣力學(xué)特性的影響

按照表1所示的試驗(yàn)方案設(shè)置,對各工況巖樣進(jìn)行單軸壓縮,每種試樣選取試驗(yàn)中間結(jié)果作為最終結(jié)果,整理試驗(yàn)結(jié)果,得到峰值強(qiáng)度和彈性模量隨主裂隙傾角與次裂隙傾角的變化規(guī)律圖,如圖3和圖4所示。

圖3 不同主、次裂隙傾角下的峰值強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.3 Peak strength variation under different dip angles of primary and secondary fractures

圖4 不同主、次裂隙傾角下的彈性模量變化規(guī)律Fig.4 Elastic modulus variation under different dip angles of primary and secondary fractures

由圖3可知,在β=0°時,即單裂隙巖樣,巖樣單軸抗壓強(qiáng)度隨α增大先減小后增大,在α=45°時達(dá)到最低8.86 MPa,在α=90°時,取得最大值45.27 MPa;在β≠0°時,交叉裂隙巖樣峰值強(qiáng)度總體上隨主裂隙傾角的增大先減小后增大再減小,在α=45°,β=90°時取得最小值6.78 MPa,在α=90°,β=30°時取得最大值17.61 MPa。

整體來看,α=0°與90°時,交叉裂隙巖樣的峰值強(qiáng)度低于單裂隙巖樣強(qiáng)度,在α=0°時峰值強(qiáng)度相差幅值為3.4～4.92 MPa,在α=90°時峰值強(qiáng)度相差幅值為27.67～34.33 MPa。在α≤60°時,β=90°時巖樣峰值強(qiáng)度最小,強(qiáng)度隨α增大先減小后增大。隨β增大整體上緩慢降低,變化幅度為-6.5～7.1 MPa;在α>60°時,強(qiáng)度隨α、β增大有所降低。

由圖4(a)和圖4(b)可知,試樣彈性模量隨主、次裂隙傾角變化均表現(xiàn)為“凹”字形變化趨勢。其中,在隨α變化過程中,彈性模量在β=30°時取得最小值,在隨β變化過程中,彈性模量在α=45°時取得最小值。這是因?yàn)橹?、次裂隙夾角越小,預(yù)制裂隙整體上與最大主應(yīng)力作用面的夾角越小,越容易造成預(yù)制裂隙的軸向壓縮變形。單裂隙彈性模量基本上大于含交叉裂隙彈性模量,次裂隙對巖樣彈性模量有削弱作用,這是因?yàn)榇瘟严兜某霈F(xiàn)分散了主裂隙尖端的應(yīng)力集中,巖樣裂紋產(chǎn)生更多,變形增大,彈性模量降低。

3 巖樣裂紋擴(kuò)展與破壞模式分析

3.1 巖樣裂紋擴(kuò)展和破壞分析思路

巖石的破壞是裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通的結(jié)果,對巖石破壞模式的分析應(yīng)當(dāng)先從裂紋擴(kuò)展入手,由于試驗(yàn)過程很難觀測到裂紋的變化,因此,通過DIC攝像系統(tǒng)觀測試樣表面散斑點(diǎn)的位移變化,以記錄含交叉裂隙巖樣表面宏觀裂紋出現(xiàn)的先后順序以及相同相機(jī)拍攝間隔下裂紋出現(xiàn)的批次,然后按照記錄的照片通過PS軟件描繪出裂紋的擴(kuò)展過程。

由圖5可知,巖樣表面裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)為,在加載初期,首先萌生第①批和第②批裂紋,處于裂紋的起裂萌生階段,裂紋數(shù)量較少。在加載中期,萌生第③和第④批裂紋,巖樣右上角出現(xiàn)少量剝落。在加載后期,裂紋大量產(chǎn)生,出現(xiàn)第⑤批和第⑥批裂紋,第⑥批裂紋與第③、④和⑤批裂紋發(fā)生交匯,出現(xiàn)大面積的破壞。最終巖樣破壞模式為拉-剪復(fù)合破壞,主破壞裂紋為由主裂隙尖端起裂裂紋擴(kuò)展而成的。

以編號為45-90巖樣為例,數(shù)字①、②、③、④、⑤和⑥代表著裂紋出現(xiàn)的批次,即①代表第一批出現(xiàn)的裂紋,用紅色表示;②代表第二批出現(xiàn)的裂紋,用深藍(lán)色表示;③代表第三批出現(xiàn)的裂紋,用洋紅色表示;④代表第四批出現(xiàn)的裂紋,用黑色表示;⑤代表第五批出現(xiàn)的裂紋,用天藍(lán)色表示;⑥代表第六批出現(xiàn)的裂紋,用黃色表示;主破壞裂紋線條用箭頭指向標(biāo)注;表面剝落用傾斜的線條表示,剝落出現(xiàn)的批次采用裂紋對應(yīng)批次顏色表示;σ表示此裂紋狀態(tài)下相應(yīng)應(yīng)力水平圖5 巖樣表面裂紋擴(kuò)展Fig.5 Crack propagation on rock sample surface

由此,可以清晰表示出裂紋的起裂、擴(kuò)展和貫通的順序與方向,對于巖石裂紋擴(kuò)展破壞分析有著重要的輔助作用。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照圖5的裂紋處理方法,對試驗(yàn)所有工況進(jìn)行處理,如圖6所示。

圖6 不同主、次裂隙傾角條件下破壞模式圖Fig.6 Failure modes under different dip angles of primary and secondary fracture

3.2.1 裂紋擴(kuò)展規(guī)律分析

在加載初期,產(chǎn)生第①和第②批裂紋,主要是裂紋起裂和萌生。在加載中期,產(chǎn)生第③和第④批裂紋,同時第①和第②批裂紋在應(yīng)力作用下繼續(xù)擴(kuò)展,少量巖樣發(fā)生裂紋交匯貫通,在邊緣產(chǎn)生少量剝落。在加載后期,裂紋大量產(chǎn)生,即第⑤和第⑥批裂紋,包括先前產(chǎn)生的裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展、更大破壞的遠(yuǎn)場裂紋、已產(chǎn)生裂紋之間融會貫通和更大面積的剝落。

當(dāng)α≤45°時,裂紋在次裂隙尖端萌生早于主裂隙,裂尖裂紋主要為翼裂紋,大體上沿與加載方向同向擴(kuò)展,由次裂隙萌生的裂紋均沒有發(fā)生貫通。當(dāng)α=60°,β≤45°時,裂紋在次裂隙尖端萌生仍然早于主裂隙,由次裂隙萌生的裂紋也基本沿與加載方向同向擴(kuò)展,未發(fā)生貫通。當(dāng)α=60°,β≥60°時,裂紋在主裂隙尖端萌生早于次裂隙,后續(xù)次裂隙尖端產(chǎn)生的裂紋向內(nèi)擴(kuò)展成“核”,預(yù)制主裂隙尖端產(chǎn)生裂紋向外擴(kuò)展發(fā)生貫通。當(dāng)α=90°時,裂紋在次裂隙尖端萌生也早于主裂隙,并在后續(xù)擴(kuò)展中發(fā)生貫通,主裂隙處裂紋萌生較少。裂紋基本為豎向裂紋,橫向裂紋較少,這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向一致。在單軸試驗(yàn)中,巖樣只受到豎向方向的應(yīng)力以及巖樣上下表面與加載儀器接觸的摩檫力,接觸面比較光滑,巖樣表面水平向摩檫力相對豎向應(yīng)力較小,由此最大主應(yīng)力方向與豎向夾角較小,近似為豎向。

在α=0°、60°和90°時,表面剝落以第⑤、⑥批為主,即處于高應(yīng)力或者峰后階段,剝落面積較大。在α=30°和45°時,以第②和第④批為主,表面剝落出現(xiàn)較早,處于應(yīng)力相對較低階段,剝落位置多在巖樣邊緣且面積較小。

3.2.2 破壞規(guī)律分析

在β=0°情況下,此時為單裂隙巖樣,當(dāng)α=30°,45°時,巖樣發(fā)生拉剪復(fù)合破壞,當(dāng)α=60°時,巖樣發(fā)生剪切破壞,當(dāng)α=0°,90°時,巖樣發(fā)生張拉劈裂破壞。

β≠0°情況下,有如下現(xiàn)象及規(guī)律分析。

(1)當(dāng)α≤30°時,巖樣均發(fā)生由主裂隙尖端裂紋擴(kuò)展形成的張拉破壞。

(2)在α=45°情況下,當(dāng)β=30°時,試樣發(fā)生由主裂隙控制擴(kuò)展的剪切破壞;當(dāng)β=45°時,試樣發(fā)生沿主裂隙控制擴(kuò)展的拉剪復(fù)合破壞;當(dāng)β=60°和90°時,試樣發(fā)生沿主裂隙控制擴(kuò)展張拉破壞。

(3)當(dāng)α=60°時,巖樣破壞的控制裂隙發(fā)生轉(zhuǎn)變。β=30°和45°時,巖樣破壞模式仍由主裂隙尖端裂紋擴(kuò)展主導(dǎo),發(fā)生拉-剪復(fù)合破壞;β=60°和90°時,巖樣發(fā)生由主、次裂隙共同控制的張拉破壞。

(4)當(dāng)α=90°時,巖樣全部表現(xiàn)為由次裂隙控制擴(kuò)展的張拉破壞。

從裂隙長度與裂隙傾角綜合考慮對巖樣破壞模式的影響,分析發(fā)現(xiàn)主、次裂隙的水平投影長度的相對大小決定著巖樣的破壞控制裂隙,引入水平投影長度:主裂隙水平投影長度Z,次裂隙水平投影長度C。公式為

Z=|L1cosα|

(1)

C=|L2cos(α+β)|

(2)

(1)當(dāng)α≤45°時,Z>C,巖樣破壞全部由主裂隙擴(kuò)展控制。

(2)當(dāng)α=60°時,①在β≤45°情況下,Z>C,巖樣破壞仍由主裂隙擴(kuò)展控制;②在β=60°情況下,主、次裂隙水平投影長度相近,巖樣破壞的主導(dǎo)裂隙也相應(yīng)表現(xiàn)出由主、次裂隙共同控制;③在β=90°情況下,Z

(3)當(dāng)α=90°時,Z

4 結(jié)論

通過單軸壓縮和DIC攝像,主要從主次裂隙傾角方面對巖石力學(xué)特性和破壞模式影響進(jìn)行了分析,有如下結(jié)論。

(1)力學(xué)性質(zhì)方面,相比單裂隙,交叉裂隙對巖石試樣強(qiáng)度有很大的削弱作用。在峰值強(qiáng)度和彈性模量上,單裂隙基本大于含交叉裂隙巖樣。整體上,峰值強(qiáng)度隨α的增大而先減小后增大再減小,隨β增大先增大后減小,當(dāng)有預(yù)制裂隙與加載方向平行時,強(qiáng)度會較高;彈性模量隨α、β增大大致表現(xiàn)為“凹”形變化的分布規(guī)律。

(2)對裂紋擴(kuò)展分析,當(dāng)α≤45°和α=60°且β≤45°,次裂隙尖端裂紋萌生基本早于主裂隙尖端,次裂隙尖端裂紋未發(fā)生貫通,主裂隙尖端裂紋發(fā)生貫通;在α為60°且β≥60°和α=90°時,主裂隙尖端裂紋萌生基本早于次裂隙尖端,次裂隙尖端裂紋對外發(fā)生擴(kuò)展貫通,主裂隙尖端裂紋未發(fā)生擴(kuò)展貫通。萌生裂紋基本沿巖樣上下兩端擴(kuò)展,橫向裂紋較少。α為0°、60°和90°時,巖樣表面剝落出現(xiàn)時間較晚,剝落面積較大;α為30°和45°時,剝落出現(xiàn)時間較早,面積較小。

(3)對巖樣破壞模式分析,巖樣的破壞模式隨α從0°到90°的變化,基本呈現(xiàn)出張拉破壞→剪切破壞和拉剪復(fù)合破壞→張拉破壞轉(zhuǎn)變。在α為0°和90°,巖樣全部為張拉破壞;在α為30°、45°和60°時,破壞隨β增大表現(xiàn)為從剪切破壞—拉剪復(fù)合破壞—張拉破壞轉(zhuǎn)變。裂隙長度與角度共同影響著裂隙的破壞模式,主、次裂隙水平向投影長度的相對大小決定著主破壞裂隙的產(chǎn)生位置,即當(dāng)主裂隙水平投影長度大于次裂隙水平投影長度,則巖樣主破壞裂紋由主裂隙尖端產(chǎn)生,反之,則由次裂隙尖端產(chǎn)生。