裂隙复合岩体力学特性及破裂特征.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：李华哲(2003),男,汉族,辽宁鞍山人,大学本科生,研究方向为岩石力学。-13-裂隙复合岩体力学特性及破裂特征 李华哲 姜钰柔 苏世魏 夏治国 辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051 摘要：摘要：通过对裂隙复合岩体进行单轴压缩试验，研究了裂隙不同长度复合岩体的力学特性及声发射能量特征，分析了不同裂隙长度对复合岩体宏观破裂的影响。结果表明：裂隙的存在弱化了复合岩体的峰值强度、弹性模量和峰值应变。随着裂隙长度的增加，复合岩体的峰值强度和弹性模量逐渐降低。裂隙复合岩体声发射参数特征均经历了 I、II 和 III 三个阶段，在 III 阶段时，声发射能量最为密集且声发射振铃数较高。初始裂纹均萌生于裂隙尖端，随着裂隙长度的增加，裂纹萌生位置逐渐由上尖端转至下尖端。裂隙长度的增加在一定程度上抑制了复合岩体宏观裂纹的产生。关键词：关键词：裂隙复合岩体；声发射特征；损伤演化；破坏模式 中图分类号：中图分类号：TD315 0 引言 自然界中的岩体往往以多层形式存在，且在其内部普遍存在裂隙缺陷。工程岩体在开挖过程中经常会遇到不良的裂隙岩体，由此造成的工程灾害时有发生。近年来，随着工程岩体每年开挖量的不断增加，以及岩体工程技术难度与工程规模的逐渐增大，由裂隙岩体失稳诱发的工程地质灾害问题日益突出1-3。针对复合岩体的破坏特征和力学特性，大量的学者进行了相关的研究，并取得了丰硕的成果4-6。傅旭东等7采用理论和试验方法研究了层状岩体的强度及破坏模式，揭示了夹层倾角、围压对试样强度和破坏模式的影响规律。赵宏刚等8研究了真三轴应力路径下不同厚度夹层复合岩样的力学性质和破坏特征，探讨了夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。在复合岩体研究方面，杨仁树等9利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，分析了应力波由硬岩入软岩和由软岩入硬岩复合岩体的应力波传播特征与能量耗散规律。刘晓云等10针对不同强度类岩石材料制备的复合岩体试件，研究了类岩石材料强度比对复合岩体试件力学特性的影响。目前针对裂隙岩体的研究大多都集中在均质岩体上，研究结果对认识含有缺陷岩体的破裂模式具有重要的意义。但在含裂隙的非均质岩体研究方面却鲜有报道。因此，本文对裂隙复合岩体进行单轴压缩试验，研究裂隙长度对复合岩体裂纹扩展路径的演化规律，分析裂隙复合岩体破坏模式，揭示裂隙复合岩体破裂失效机理。1 试验研究 1.1 试样制备 采用普通硅酸盐水泥（PO42.5）、粒径为 0.082mm标准砂和水，按照质量比为 1：4：0.33 和 3：1：1 分别配制类岩石材料 A 和 B。并采用设计的模具制备尺寸为 150 mm75mm30mm，裂隙的宽度为 3 mm，裂隙倾角为 70，裂隙长度分别为 40 mm、60 mm、80 mm 和100 mm 的 AB 组合岩体试件，如图 2 所示。图 1 裂隙复合岩体试样制备流程 1.2 实验设备 采用YAW-2000kN微机控制电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验，加载速率选择为 0.01 mm/s。为了排除偶然因素对实验结果的影响，提高实验结果的准确性，进行单轴压缩实验时，每个工况都会使用 3 个平行试样。在实验结束后，会选取数据接近的两组试样，中国科技期刊数据库 工业 A-14-并对它们进行平均以进行进一步分析。采用 DS2 声发射系统监测声发射事件，并使用工业相机记录试样的破裂过程及最终破坏模式。试验系统原理图如图 2 所示。图 2 试验系统原理图 2 裂隙复合岩体试验结果分析 2.1 完整类岩石力学特性与破坏模式 图3为类岩石试件应力-应变曲线及最终破坏模式，从图中可以看出，硬岩 B 的峰值强度和弹性模量约为61.17 MPa 和 11.74 GPa，峰值应变约为 0.0086，约为软岩 A 峰值强度的 2.41 倍，约为其弹性模量的 1.44倍，约为其峰值应变的 1.43 倍。类岩石复合岩体 AB的峰值强度、弹性模量与峰值应变分别约为 34.82 MPa、8.35 GPa 和 0.007。从图中可看出，复合岩体 AB 的单轴抗压强度在 A 岩和 B 岩两者之间，三者类岩石试件的破坏模式也存在较大的差异，A 岩的裂纹从岩体左上端部萌生，随后扩展至岩体右下端部，其破坏模式主要以剪切破坏为主；B 岩的宏观裂纹的萌生和扩展并不明显，主要在岩体上端部出现表面剥落，并且在其侧面出现明显的劈裂现象，破坏模式主要以劈裂破坏为主；在复合岩体中，由于其存在两种岩性，导致裂纹的萌生与扩展与均质岩体不同，裂纹首先在软岩部位的上端部产生，而后逐步向下发育出两条剪切裂纹且出现些许摩擦碎屑，在交界面上端附近出现裂纹聚结，并逐步穿过交界面向下扩展，发育成一条较为明显的张拉裂纹。在复合岩体中，微裂纹主要产生在软岩部位，其破坏模式以拉剪混合破坏为主。综上所述，复合岩体的力学特性介于软硬岩两者之间，并且影响裂纹萌生与扩展，使最终破坏模式更加的复杂化 （a）类岩石 A （b）类岩石 B （c）类岩石 AB 图 3 类岩石试件应力-应变曲线与最终破坏模式 2.2 含裂隙复合岩体力学特性 图4为含不同裂隙长度复合岩体的应力-应变曲线及其力学特征。从图中可看出，完整复合岩体经历了中国科技期刊数据库 工业 A-15-初始压密阶段，此阶段曲线呈现“凹”型增长，并且在峰后阶段曲线较为光滑，而含有裂隙的复合岩体则呈现波动式应力跌落现象，说明此时裂纹扩展较为剧烈，岩体内部应力得以释放。完整复合岩体的峰值强度和弹性模量约为 34.82 MPa 和 8.35 GPa。随着裂隙长度的增加，裂隙复合岩体峰值强度和弹性模量逐渐降低，这说明裂隙的存在会降低复合岩体的力学性能。裂隙长度为 40 mm 的试样其力学性能降低幅度最小，分别为 37.25%和 32.22%。而裂隙长度为 100 mm 的复合岩体试样的峰值强度和弹性模量降低幅度最高，分别为 63.73%和 56.89%，说明裂隙越长对复合岩体强度的弱化越强。裂隙长度为 40 mm 的复合岩体的峰值强度和弹性模量分别是裂隙长度为 100 mm 的 1.73 倍和1.57 倍。完整层状岩体的峰值应变约为 7，而裂隙复合岩体随着裂隙长度的增加，呈现降低后升高的变化趋势。裂隙长度为 80 mm 的试样峰值应变最低，相较于完完复合岩体降低了 31.86%。定量研究裂隙长度L 与峰值强度、弹性模量及峰值应变的关系，对不同裂隙长度复合岩体进行多项式拟合，其峰值应力、弹性模量以及峰值应变的拟合优度 R2分别为 0.99957、0.94743 和 0.91057。可以看出其拟合优度较好，说明确定的拟合曲线能够在一定程度上表征裂隙复合岩体的力学参数随裂隙长度的变化趋势。（a）应力-应变曲线 （b）峰值强度 （c）弹性模量 （d）峰值应变 图 4 不同裂隙复合岩体长度下的力学特性 2.3 声发射能量特征 图 5 为不同裂隙长度复合岩体声发射能量规律。将各裂隙长度复合岩体声发射能量演化过程分为三个阶段，裂隙长度 60 mm 复合岩体试样的应力-时间曲线呈现“凸”型增长，而声发射能量则呈现“凹”型增长。在 III 阶段前期，声发射能量达到整个加载过程中的最高点，累计声发射能量出现垂直增长的现象，随后声发射能量柱逐渐降低，累计声发射能量转而波动上升。裂隙长度为 40 mm 和 80 mm 的复合岩体试样的应力-时间曲线近似呈现直线增长，没有明显的波动现象，这就导致了 I 和 II 阶段的声发射能量和累计能量差异不明显，声发射能量柱较短且分布密集，累计声发射能量也近似为直线增长状态。裂隙长度为 100 mm 的复合岩体试样在 I 阶段时，声发射能量柱短而密集，累计声发射能量缓慢上升，说明此时岩体内部原中国科技期刊数据库 工业 A-16-生裂纹被压密以及微裂纹的聚集。随着轴向压力的增大，在II阶段中后期分别出现了声发射能量激增现象，累计声发射能量“两层阶梯式”上升。加载至 III 阶段时，此阶段主要为峰后阶段，声发射能量柱逐渐降低，累计声发射能量逐渐升高。综上所述各个裂隙长度下的裂隙复合岩体试样，其声发射参数特征较为相近，均经历了 I、II 和 III 阶段，并且在 III 阶段时，声发射激增现象较为明显，声发射累计能量呈现阶梯式上升趋势，说明第 III 阶段是裂纹扩展演化的主要阶段，且岩体内部积累的能量大量释放。（a）裂隙长度为 40 mm （b）裂隙长度为 60 mm （c）裂隙长度为 80 mm （d）裂隙长度为 100 mm 图 5 不同裂隙长度复合岩体声发射能量规律 2.4 破坏模式分析 图 6 为不同裂隙长度复合岩体的最终破坏模式。由于裂隙尖端处应力分布不均，会产生应力集中现象，初始裂纹均是在裂隙尖端处萌生。随着裂隙长度的增加，初始裂纹萌生位置由上尖端逐步转移至下尖端。当裂隙长度较小时，在 A 岩产生的裂纹数较多，主要分布在裂隙的左侧。这是由于裂隙长度较小的复合岩体的峰值强度相对较高，能够承受较大的轴向应力，使得其内部微裂纹发育较为充分，其次由于 A 岩的强度较低，在轴向加载时易产生裂纹。而裂隙长度较大时，此现象不明显，这也进一步说明当裂隙长度较大时，其裂纹扩展范围较小，使得裂隙尖端成为裂纹萌生的主要位置，同时在一定程度上抑制了宏观裂纹在 A岩的产生。（a）40 mm （b）60 mm （c）80 mm （d）100 mm 图 6 不同裂隙长度复合岩体的最终破坏模式 3 结论（1）裂隙的存在降低了复合岩体的峰值强度、弹性模量和峰值应变。随着裂隙长度的增加，复合岩体的峰值强度和弹性模量逐渐降低，而峰值应变则呈现先降低后升高的变化趋势。（2）裂隙复合损伤破坏过程中的声发射信号逐渐增强，在第 II 阶段出现较为明显的声发射能量激增现象，第 III 阶段的声发射能量柱增多，累计声发射能量呈“阶梯式”增长。（3）裂隙复合岩体的初始裂纹均萌生于裂隙尖端，0501001502002500510152025 应力应力/MPa时间/s03691215 能量能量 103/mv*ms0510152025 累计能量累计能量 104/mv*msI0501001502000510152025 应力应力/MPa时间/s05101520 能量能量 103/mv*ms05101520253035 累计能量累计能量 104/mv*msI05010015020005101520 应力应力/MPa时间/s010203040 能量能量 103/mv*ms0918273645 累计能量累计能量 104/mv*msI05010015020025003691215 应力应力/MPa时间/s01530456075 能量能量 103/mv*ms01020304050 累计能量累计能量 104/mv*msI中国科技期刊数据库 工业 A-17-当裂隙长度较小时，在 A 岩处产生的裂纹较多。随着裂隙长度的增加，萌生位置逐渐由上尖端转至下尖端。裂隙长度的增加在一定程度上抑制了宏观裂纹的产生。参考文献 1刘红彬,唐伟奇,肖凯璐,等.水泥基注浆材料的研究进展J.混凝土,2016(03):71-75.2钱自卫,姜振泉,曹丽文,等.弱胶结孔隙介质渗透注浆模型试验研究J.岩土力学,2013,1(1):139-142.3Wei Y.,Wang F.M.,Gao X.,et al.Microstructure and fatigue performance of polyurethane grout materials under compressionJ.Journal of Materials in Civil Engineering,2017,29(9):04017101.4Xie Z.Z.,Zhang N.,Meng F.F.,et al.Deformation Field Evolution and Failure Mechanisms of Coal-Rock Combination Based on the Digital Speckle Correlation MethodJ.Energies,2019,12(13):2511.5Wang P.,Jia H.J.,Zheng P.Q.Sensitivity analysis of bursting liability for different coal-rock combinations based on their inhomogeneous characteristicsJ.Geomatics,Natural Hazards and 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