交叉裂隙砂巖樣單軸力學特性與擴展破壞

沈順超, 肖桃李*, 折海成,2, 陳祥

(1.長江大學城市建設學院, 荊州 434023; 2. 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學), 武漢 430100)

自然界中,巖體內部普遍存在著錯綜復雜的裂隙,這些裂隙的幾何形態嚴重影響巖體構筑物的穩定性,嚴重制約著如礦業、水利、油氣開采等國家重大工程的發展。裂隙的長度、傾角和形狀在誘使巖體發生裂紋萌生、擴展與失穩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,獲取其力學損傷特性與裂紋擴展規律,對評價巖體工程的施工安全具有重要現實意義。

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性質,國內外學者進行了大量研究。其中,Chang等[5]對交叉節理巖樣進行單軸試驗,提出了貫通多節理巖石試樣強度計算公式。鄒前進等[6]對“X”形裂隙類巖石進行單軸試驗,發現相比完整樣,裂隙巖體的彈性模量、峰值強度和彈性應變能明顯下降。汪學清等[7]對含交叉裂隙試件開展了不同加載速率單軸壓縮試驗,結果表明,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,結果顯示,巖石強度隨裂隙傾角增加而增加,且強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、擴展及最終的破壞狀態,裂隙的存在會削弱巖石試樣的強度。Liu等[10]對含“T”形裂隙石膏試樣進行雙軸壓縮試驗,觀察到9種類型裂紋,并指出在低圍壓下幾乎不會出現側向劈裂破壞。

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

以上,通過總結近年來交叉裂隙巖石相關研究文獻,可以得出,目前對交叉裂隙類型巖石破壞的研究較少,既有的研究內容多側重于巖石破壞的應力、應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、發展少有關注,對交叉裂隙在巖樣破壞過程中誰占主導裂隙這一問題也尚無明確的判定方法。因此,在前人研究基礎上,現預制“X”形裂隙砂巖樣,進行單軸加載并結合DIC拍照,主要關注壓縮過程中裂紋的起裂、擴展,并嘗試從試驗結果出發總結“X”形裂隙中主控制裂隙的斷定方法,以期能為后續的研究提供借鑒指導。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

現場取樣往往難以獲取特定裂隙形態的巖樣,且用天然巖石進行裂隙加工難度較大,可操作性低。在巖石力學強度與裂隙擴展研究中,前人一般采用類巖石材料代替真實巖樣,并取得了一系列的進展與成果[3,7,15],采取類似方法,通過人工預制含交叉裂隙砂巖巖樣進行室內試驗。

經過反復試驗研究,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(質量比)。制備的巖樣尺寸為145 mm×70 mm×70 mm,預制裂隙主裂隙長度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,預制裂隙采用預埋鋼薄片法生成,預制裂隙厚度為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特性與裂紋擴展的影響,減小因為試樣本身材質不均對試驗結果的影響,每種試樣嚴格按同一配比預制3個,并連續在一段時間內澆筑完成,24 h脫模后全部放入標準養護室,養護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上隨機均勻分布的散斑。

1.2 試驗設備與加載方案

試驗設備主要由單軸加載系統與DIC系統組成,如圖2所示。加載選用上海松頓機械設備有限公司生產WAW-1000B微機控制電液伺服萬能試驗機,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;加載試驗中全程使用DIC測量系統實時拍照,記錄頻率為1張/s。

圖2 試驗設備Fig.2 Test equipment

2 主、次裂隙傾角對巖樣力學特性的影響

按照表1所示的試驗方案設置,對各工況巖樣進行單軸壓縮,每種試樣選取試驗中間結果作為最終結果,整理試驗結果,得到峰值強度和彈性模量隨主裂隙傾角與次裂隙傾角的變化規律圖,如圖3和圖4所示。

圖3 不同主、次裂隙傾角下的峰值強度變化規律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,巖樣單軸抗壓強度隨α增大先減小后增大,在α=45°時達到最低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度低于單裂隙巖樣強度,在α=0°時峰值強度相差幅值為3.4～4.92 MPa,在α=90°時峰值強度相差幅值為27.67～34.33 MPa。在α≤60°時,β=90°時巖樣峰值強度最小,強度隨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。這是因為主、次裂隙夾角越小,預制裂隙整體上與最大主應力作用面的夾角越小,越容易造成預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,這是因為次裂隙的出現分散了主裂隙尖端的應力集中,巖樣裂紋產生更多,變形增大,彈性模量降低。

3 巖樣裂紋擴展與破壞模式分析

3.1 巖樣裂紋擴展和破壞分析思路

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

由圖5可知,巖樣表面裂紋擴展表現為,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,巖樣右上角出現少量剝落。在加載后期,裂紋大量產生,出現第⑤批和第⑥批裂紋,第⑥批裂紋與第③、④和⑤批裂紋發生交匯,出現大面積的破壞。最終巖樣破壞模式為拉-剪復合破壞,主破壞裂紋為由主裂隙尖端起裂裂紋擴展而成的。

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

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

3.2 試驗結果分析

按照圖5的裂紋處理方法,對試驗所有工況進行處理,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 裂紋擴展規律分析

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

當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展,由次裂隙萌生的裂紋均沒有發生貫通。當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展,未發生貫通。當α=60°,β≥60°時,裂紋在主裂隙尖端萌生早于次裂隙,后續次裂隙尖端產生的裂紋向內擴展成“核”,預制主裂隙尖端產生裂紋向外擴展發生貫通。當α=90°時,裂紋在次裂隙尖端萌生也早于主裂隙,并在后續擴展中發生貫通,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,這是因為裂紋擴展方向與最大主應力方向一致。在單軸試驗中,巖樣只受到豎向方向的應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力較小,由此最大主應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,表面剝落出現較早,處于應力相對較低階段,剝落位置多在巖樣邊緣且面積較小。

3.2.2 破壞規律分析

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

β≠0°情況下,有如下現象及規律分析。

(1)當α≤30°時,巖樣均發生由主裂隙尖端裂紋擴展形成的張拉破壞。

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

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

(4)當α=90°時,巖樣全部表現為由次裂隙控制擴展的張拉破壞。

從裂隙長度與裂隙傾角綜合考慮對巖樣破壞模式的影響,分析發現主、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α≤45°時,Z>C,巖樣破壞全部由主裂隙擴展控制。

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

(3)當α=90°時,Z

4 結論

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特性和破壞模式影響進行了分析,有如下結論。

(1)力學性質方面,相比單裂隙,交叉裂隙對巖石試樣強度有很大的削弱作用。在峰值強度和彈性模量上,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,當有預制裂隙與加載方向平行時,強度會較高;彈性模量隨α、β增大大致表現為“凹”形變化的分布規律。

(2)對裂紋擴展分析,當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生貫通,主裂隙尖端裂紋發生貫通;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生擴展貫通,主裂隙尖端裂紋未發生擴展貫通。萌生裂紋基本沿巖樣上下兩端擴展,橫向裂紋較少。α為0°、60°和90°時,巖樣表面剝落出現時間較晚,剝落面積較大;α為30°和45°時,剝落出現時間較早,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,基本呈現出張拉破壞→剪切破壞和拉剪復合破壞→張拉破壞轉變。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增大表現為從剪切破壞—拉剪復合破壞—張拉破壞轉變。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生位置,即當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生,反之,則由次裂隙尖端產生。