交叉裂隙砂岩样单轴力学特性与扩展破坏

沈顺超, 肖桃李*, 折海成,2, 陈祥

(1.长江大学城市建设学院, 荆州 434023; 2. 油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学), 武汉 430100)

自然界中,岩体内部普遍存在着错综复杂的裂隙,这些裂隙的几何形态严重影响岩体构筑物的稳定性,严重制约着如矿业、水利、油气开采等国家重大工程的发展。裂隙的长度、倾角和形状在诱使岩体发生裂纹萌生、扩展与失稳破坏中起着重要作用[1-2],因此,开展对裂隙岩体的损伤破坏研究,获取其力学损伤特性与裂纹扩展规律,对评价岩体工程的施工安全具有重要现实意义。

工程岩体中,裂隙大多以交叉形式存在[3-4],针对裂隙岩体的裂纹演化和力学性质,国内外学者进行了大量研究。其中,Chang等[5]对交叉节理岩样进行单轴试验,提出了贯通多节理岩石试样强度计算公式。邹前进等[6]对“X”形裂隙类岩石进行单轴试验,发现相比完整样,裂隙岩体的弹性模量、峰值强度和弹性应变能明显下降。汪学清等[7]对含交叉裂隙试件开展了不同加载速率单轴压缩试验,结果表明,在低加载速率下,试件破坏以拉伸破坏为主;在高加载速率下,试件以剪切破坏为主。周慧颖等[8]开展了含“V”形裂隙岩石试样的单轴压缩光弹性试验,结果显示,岩石强度随裂隙倾角增加而增加,且强度增长速率不断减小。李祥等[9]对含“X”与“V”形裂隙的岩石试样加载,得出不同裂隙角度与裂隙长度会改变裂隙的萌生、扩展及最终的破坏状态,裂隙的存在会削弱岩石试样的强度。Liu等[10]对含“T”形裂隙石膏试样进行双轴压缩试验,观察到9种类型裂纹,并指出在低围压下几乎不会出现侧向劈裂破坏。

近年来,数字图像处理(digital image processing,DIC)、离散元模拟(particle flow code,PFC)、声发射等技术等被广泛用于室内试验对岩石破裂模式与裂隙扩展过程的研究。武旭等[11]对正交型交叉裂隙岩石进行单轴试验并结合声发射技术进行分析,指出裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素,同时得出主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关。金爱兵等[12]采用DIC技术对3D打印的交叉裂隙岩样进行单轴压缩试验,得出随着裂隙间交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,同时指出次节理裂隙主要影响岩石破裂强度的峰后阶段。舒杨等[13]利用PFC2D模拟交叉裂隙直剪试验,观察到随着法向应力的增大,岩样破坏模式由双裂隙共同控制变为单裂隙主导。梁东旭等[14]利用离散元3D Y-HFDEM代码计算含预制交叉裂隙岩石试样的裂纹扩展,观察到随主裂隙与轴向荷载的增加,拉伸裂纹数量增加,岩石起裂应力与主裂隙夹角成正比。

以上,通过总结近年来交叉裂隙岩石相关研究文献,可以得出,目前对交叉裂隙类型岩石破坏的研究较少,既有的研究内容多侧重于岩石破坏的应力、应变特征以及最终破坏模式等,对含交叉裂隙岩样受压破坏过程中裂纹的萌生、发展少有关注,对交叉裂隙在岩样破坏过程中谁占主导裂隙这一问题也尚无明确的判定方法。因此,在前人研究基础上,现预制“X”形裂隙砂岩样,进行单轴加载并结合DIC拍照,主要关注压缩过程中裂纹的起裂、扩展,并尝试从试验结果出发总结“X”形裂隙中主控制裂隙的断定方法,以期能为后续的研究提供借鉴指导。

1 试验方法

1.1 试样制备

现场取样往往难以获取特定裂隙形态的岩样,且用天然岩石进行裂隙加工难度较大,可操作性低。在岩石力学强度与裂隙扩展研究中,前人一般采用类岩石材料代替真实岩样,并取得了一系列的进展与成果[3,7,15],采取类似方法,通过人工预制含交叉裂隙砂岩岩样进行室内试验。

经过反复试验研究,最终岩样配比如下:32.5R普通硅酸盐水泥∶石英砂∶水∶消泡剂=1∶0.7∶0.35∶0.003(质量比)。制备的岩样尺寸为145 mm×70 mm×70 mm,预制裂隙主裂隙长度40 mm,次裂隙长度30 mm,如图1所示。交叉裂隙主裂隙与水平方向倾角(α)依次取值0°、30°、45°、60°和90°,次裂隙与主裂隙方向倾角(β)取值0°、30°、45°、60°和90°,岩样编号具体见表1。例如,编号45-90表示主裂隙倾角为45°,次裂隙倾角为90°的岩样。其中,预制裂隙采用预埋钢薄片法生成,预制裂隙厚度为0.5 mm。

图1 交叉裂隙几何特征与散斑示意图Fig.1 Schematic diagram of sample with cross cracks

表1 试验方案和岩样编号Table 1 Test plan and rock sample number

为了探讨不同类型的交叉裂隙对岩石力学特性与裂纹扩展的影响,减小因为试样本身材质不均对试验结果的影响,每种试样严格按同一配比预制3个,并连续在一段时间内浇筑完成,24 h脱模后全部放入标准养护室,养护28 d,然后取出,使用哑光白漆喷涂岩样,静置晾干后使用黑色油性笔在岩样表面点上随机均匀分布的散斑。

1.2 试验设备与加载方案

试验设备主要由单轴加载系统与DIC系统组成,如图2所示。加载选用上海松顿机械设备有限公司生产WAW-1000B微机控制电液伺服万能试验机,采用位移控制加压法,以恒定0.5 mm/min的加载速率加载直至试件破坏;加载试验中全程使用DIC测量系统实时拍照,记录频率为1张/s。

图2 试验设备Fig.2 Test equipment

2 主、次裂隙倾角对岩样力学特性的影响

按照表1所示的试验方案设置,对各工况岩样进行单轴压缩,每种试样选取试验中间结果作为最终结果,整理试验结果,得到峰值强度和弹性模量随主裂隙倾角与次裂隙倾角的变化规律图,如图3和图4所示。

图3 不同主、次裂隙倾角下的峰值强度变化规律Fig.3 Peak strength variation under different dip angles of primary and secondary fractures

图4 不同主、次裂隙倾角下的弹性模量变化规律Fig.4 Elastic modulus variation under different dip angles of primary and secondary fractures

由图3可知,在β=0°时,即单裂隙岩样,岩样单轴抗压强度随α增大先减小后增大,在α=45°时达到最低8.86 MPa,在α=90°时,取得最大值45.27 MPa;在β≠0°时,交叉裂隙岩样峰值强度总体上随主裂隙倾角的增大先减小后增大再减小,在α=45°,β=90°时取得最小值6.78 MPa,在α=90°,β=30°时取得最大值17.61 MPa。

整体来看,α=0°与90°时,交叉裂隙岩样的峰值强度低于单裂隙岩样强度,在α=0°时峰值强度相差幅值为3.4～4.92 MPa,在α=90°时峰值强度相差幅值为27.67～34.33 MPa。在α≤60°时,β=90°时岩样峰值强度最小,强度随α增大先减小后增大。随β增大整体上缓慢降低,变化幅度为-6.5～7.1 MPa;在α>60°时,强度随α、β增大有所降低。

由图4(a)和图4(b)可知,试样弹性模量随主、次裂隙倾角变化均表现为“凹”字形变化趋势。其中,在随α变化过程中,弹性模量在β=30°时取得最小值,在随β变化过程中,弹性模量在α=45°时取得最小值。这是因为主、次裂隙夹角越小,预制裂隙整体上与最大主应力作用面的夹角越小,越容易造成预制裂隙的轴向压缩变形。单裂隙弹性模量基本上大于含交叉裂隙弹性模量,次裂隙对岩样弹性模量有削弱作用,这是因为次裂隙的出现分散了主裂隙尖端的应力集中,岩样裂纹产生更多,变形增大,弹性模量降低。

3 岩样裂纹扩展与破坏模式分析

3.1 岩样裂纹扩展和破坏分析思路

岩石的破坏是裂纹萌生、扩展和贯通的结果,对岩石破坏模式的分析应当先从裂纹扩展入手,由于试验过程很难观测到裂纹的变化,因此,通过DIC摄像系统观测试样表面散斑点的位移变化,以记录含交叉裂隙岩样表面宏观裂纹出现的先后顺序以及相同相机拍摄间隔下裂纹出现的批次,然后按照记录的照片通过PS软件描绘出裂纹的扩展过程。

由图5可知,岩样表面裂纹扩展表现为,在加载初期,首先萌生第①批和第②批裂纹,处于裂纹的起裂萌生阶段,裂纹数量较少。在加载中期,萌生第③和第④批裂纹,岩样右上角出现少量剥落。在加载后期,裂纹大量产生,出现第⑤批和第⑥批裂纹,第⑥批裂纹与第③、④和⑤批裂纹发生交汇,出现大面积的破坏。最终岩样破坏模式为拉-剪复合破坏,主破坏裂纹为由主裂隙尖端起裂裂纹扩展而成的。

以编号为45-90岩样为例,数字①、②、③、④、⑤和⑥代表着裂纹出现的批次,即①代表第一批出现的裂纹,用红色表示;②代表第二批出现的裂纹,用深蓝色表示;③代表第三批出现的裂纹,用洋红色表示;④代表第四批出现的裂纹,用黑色表示;⑤代表第五批出现的裂纹,用天蓝色表示;⑥代表第六批出现的裂纹,用黄色表示;主破坏裂纹线条用箭头指向标注;表面剥落用倾斜的线条表示,剥落出现的批次采用裂纹对应批次颜色表示;σ表示此裂纹状态下相应应力水平图5 岩样表面裂纹扩展Fig.5 Crack propagation on rock sample surface

由此,可以清晰表示出裂纹的起裂、扩展和贯通的顺序与方向,对于岩石裂纹扩展破坏分析有着重要的辅助作用。

3.2 试验结果分析

按照图5的裂纹处理方法,对试验所有工况进行处理,如图6所示。

图6 不同主、次裂隙倾角条件下破坏模式图Fig.6 Failure modes under different dip angles of primary and secondary fracture

3.2.1 裂纹扩展规律分析

在加载初期,产生第①和第②批裂纹,主要是裂纹起裂和萌生。在加载中期,产生第③和第④批裂纹,同时第①和第②批裂纹在应力作用下继续扩展,少量岩样发生裂纹交汇贯通,在边缘产生少量剥落。在加载后期,裂纹大量产生,即第⑤和第⑥批裂纹,包括先前产生的裂纹的继续扩展、更大破坏的远场裂纹、已产生裂纹之间融会贯通和更大面积的剥落。

当α≤45°时,裂纹在次裂隙尖端萌生早于主裂隙,裂尖裂纹主要为翼裂纹,大体上沿与加载方向同向扩展,由次裂隙萌生的裂纹均没有发生贯通。当α=60°,β≤45°时,裂纹在次裂隙尖端萌生仍然早于主裂隙,由次裂隙萌生的裂纹也基本沿与加载方向同向扩展,未发生贯通。当α=60°,β≥60°时,裂纹在主裂隙尖端萌生早于次裂隙,后续次裂隙尖端产生的裂纹向内扩展成“核”,预制主裂隙尖端产生裂纹向外扩展发生贯通。当α=90°时,裂纹在次裂隙尖端萌生也早于主裂隙,并在后续扩展中发生贯通,主裂隙处裂纹萌生较少。裂纹基本为竖向裂纹,横向裂纹较少,这是因为裂纹扩展方向与最大主应力方向一致。在单轴试验中,岩样只受到竖向方向的应力以及岩样上下表面与加载仪器接触的摩檫力,接触面比较光滑,岩样表面水平向摩檫力相对竖向应力较小,由此最大主应力方向与竖向夹角较小,近似为竖向。

在α=0°、60°和90°时,表面剥落以第⑤、⑥批为主,即处于高应力或者峰后阶段,剥落面积较大。在α=30°和45°时,以第②和第④批为主,表面剥落出现较早,处于应力相对较低阶段,剥落位置多在岩样边缘且面积较小。

3.2.2 破坏规律分析

在β=0°情况下,此时为单裂隙岩样,当α=30°,45°时,岩样发生拉剪复合破坏,当α=60°时,岩样发生剪切破坏,当α=0°,90°时,岩样发生张拉劈裂破坏。

β≠0°情况下,有如下现象及规律分析。

(1)当α≤30°时,岩样均发生由主裂隙尖端裂纹扩展形成的张拉破坏。

(2)在α=45°情况下,当β=30°时,试样发生由主裂隙控制扩展的剪切破坏;当β=45°时,试样发生沿主裂隙控制扩展的拉剪复合破坏;当β=60°和90°时,试样发生沿主裂隙控制扩展张拉破坏。

(3)当α=60°时,岩样破坏的控制裂隙发生转变。β=30°和45°时,岩样破坏模式仍由主裂隙尖端裂纹扩展主导,发生拉-剪复合破坏;β=60°和90°时,岩样发生由主、次裂隙共同控制的张拉破坏。

(4)当α=90°时,岩样全部表现为由次裂隙控制扩展的张拉破坏。

从裂隙长度与裂隙倾角综合考虑对岩样破坏模式的影响,分析发现主、次裂隙的水平投影长度的相对大小决定着岩样的破坏控制裂隙,引入水平投影长度:主裂隙水平投影长度Z,次裂隙水平投影长度C。公式为

Z=|L1cosα|

(1)

C=|L2cos(α+β)|

(2)

(1)当α≤45°时,Z>C,岩样破坏全部由主裂隙扩展控制。

(2)当α=60°时,①在β≤45°情况下,Z>C,岩样破坏仍由主裂隙扩展控制;②在β=60°情况下,主、次裂隙水平投影长度相近,岩样破坏的主导裂隙也相应表现出由主、次裂隙共同控制;③在β=90°情况下,Z

(3)当α=90°时,Z

4 结论

通过单轴压缩和DIC摄像,主要从主次裂隙倾角方面对岩石力学特性和破坏模式影响进行了分析,有如下结论。

(1)力学性质方面,相比单裂隙,交叉裂隙对岩石试样强度有很大的削弱作用。在峰值强度和弹性模量上,单裂隙基本大于含交叉裂隙岩样。整体上,峰值强度随α的增大而先减小后增大再减小,随β增大先增大后减小,当有预制裂隙与加载方向平行时,强度会较高;弹性模量随α、β增大大致表现为“凹”形变化的分布规律。

(2)对裂纹扩展分析,当α≤45°和α=60°且β≤45°,次裂隙尖端裂纹萌生基本早于主裂隙尖端,次裂隙尖端裂纹未发生贯通,主裂隙尖端裂纹发生贯通;在α为60°且β≥60°和α=90°时,主裂隙尖端裂纹萌生基本早于次裂隙尖端,次裂隙尖端裂纹对外发生扩展贯通,主裂隙尖端裂纹未发生扩展贯通。萌生裂纹基本沿岩样上下两端扩展,横向裂纹较少。α为0°、60°和90°时,岩样表面剥落出现时间较晚,剥落面积较大;α为30°和45°时,剥落出现时间较早,面积较小。

(3)对岩样破坏模式分析,岩样的破坏模式随α从0°到90°的变化,基本呈现出张拉破坏→剪切破坏和拉剪复合破坏→张拉破坏转变。在α为0°和90°,岩样全部为张拉破坏;在α为30°、45°和60°时,破坏随β增大表现为从剪切破坏—拉剪复合破坏—张拉破坏转变。裂隙长度与角度共同影响着裂隙的破坏模式,主、次裂隙水平向投影长度的相对大小决定着主破坏裂隙的产生位置,即当主裂隙水平投影长度大于次裂隙水平投影长度,则岩样主破坏裂纹由主裂隙尖端产生,反之,则由次裂隙尖端产生。