类岩石裂隙扩展多因素影响研究

2019-08-30陈云娟敬艺尹福强李艳龙高涛

山东建筑大学学报 2019年4期

陈云娟，敬艺，尹福强，李艳龙，高涛

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东省国土测绘院，山东济南250102)

0 引言

随着城市地下空间和山岭地下空间的不断开发利用，岩体工程的项目和规模与日俱增，随之而来的围岩稳定性问题也日益突出。自然界岩体是一种非连续体，含有大量的不连续面，其存在、扩展以及贯通对岩体力学性质影响有很大[1-4]，而这一过程同时会受到很多因素的影响，因此，深入研究不同因素对不连续面扩展过程及岩体强度的影响规律，对于保证岩体工程安全和稳定具有重要的意义。

试验方法是确定岩体力学特性最基本、最直接的手段，也是观察岩体变形规律、破坏机制及力学效应比较有效的一种方法[5-7]。一直以来，许多学者针对岩体裂隙扩展方面的研究做了大量有价值的试验工作。张波等[8-11]通过类岩石室内试验，将交叉裂隙预置为主裂隙和次裂隙，研究了交叉裂隙试样的破坏机制，并分析了锚固位置对节理岩体强度的影响；肖桃李等[12]通过对类岩石试件进行室内试验，研究了单节理岩体的强度及破坏特性，分析了岩体强度与试件尺寸、节理倾角等的关系。韩建新等[13]和李树忱等[14]开展了大量的室内试验，研究了节理岩体的贯穿程度、尺寸效应。夏才初等[15]开展了节理岩体在不同主应力差卸载路径下的试验研究。秦涛等[16]为探寻深部复杂应力条件下岩石破坏机理，开展了砂岩在单轴和常规三轴加载下的声发射特征实验。李宏哲等[17]对大理岩节理试件进行三轴压缩试验，研究了岩体破坏形式的受控因素。

文章基于已有的试验基础，考虑节理位置、围压和温度对岩体破裂过程的影响，通过室内试验，分析节理位置、围压的改变对岩体峰值强度和破裂形态的作用，并通过加卸载试验定性分析洞室开挖掌子面的卸荷效应；同时，对4种较低温度和3种超高温度下岩体的裂隙扩展形态和规律进行研究。

1 节理位置对岩体裂隙扩展规律的影响

以砂岩为原型，选取砂子、水泥、减水剂和水作为类岩石材料，质量配比为 0.97∶1∶0.03∶0.3。试件加工尺寸为70 mm×140 mm×45 mm，节理采用尺寸为0.5 mm×15 mm的聚氯乙烯薄片制作。为了分析不同节理位置对岩体裂隙扩展规律的影响，假定节理角度一定，均为30°，节理位置从上到下分为5种情况:第一条与第二条垂直距离为10 mm；第二条与第三条垂直距离为20 mm；第三条与第四条垂直距离为20 mm；第四条与第五条垂直距离为10 mm。节理位置及距离如图1所示，试验工况如图2所示。

图1 试件中节理位置及距离示意图/mm

图2 节理位置5种试验工况示意图

在对类岩石试件进行单轴压缩试验之前，需要将类岩石试件上下端面打磨平整，消除其端部效应，试验所用端面打磨机如图3所示。采用GAW-2000电液伺服岩石刚性压力试验机对试件进行力学性能测试，先力控制再位移控制，位移加载速率为0.1 mm/min，利用位移传感器、千分表分别测量试件的轴向和横向变形，利用DV摄像机记录试件裂隙扩展的全过程，试验仪器和设备如图4所示。试验完成后，不同节理位置的类岩石试件裂隙破裂形态如图5所示。当节理位置不同，类岩石试件受单向压缩应力后的破裂形态也是不同的。当节理处于顶部位置和底部位置时，试件受到单向压缩作用，会沿着原有节理的尖端开始起裂，并迅速扩展产生翼裂纹，翼裂纹的方向平行于最大主应力的方向，同时，试件也会产生明显的张拉裂纹，即劈裂裂纹，方向也近似平行于最大主应力方向；当节理位于试件的中上部位置和中下部位置时，翼裂纹扩展仍然显著，同时伴随次生裂隙扩展，试件内部主要产生张拉裂纹；当节理位于试件的中间位置时，试件受到压缩作用后，基本没有次生裂隙产生，导致试件破坏的裂纹主要是由原生节理引起的翼裂纹扩展，为剪切裂纹。

图3 试件端面打磨机图

图4 GAW-2000刚性压力机图

图5 节理不同位置时类岩石试件裂隙扩展形态图

2 围压及加卸载对岩体裂隙扩展规律的影响

采用岩体多裂隙扩展的高精度多路超高压步进比例溢流阀液压加载系统对试件进行真三轴加载，如图6所示。该加载系统加载精度达到±0.05 MPa，可以实现平滑增压或减压。

加载完成后，得到类岩石试件在不同围压下的最终破裂模式，如图7所示。

由图7可知，当给试件施加相同条件下的荷载时，试件表现出了不同的破裂形态。当竖向荷载均约为32 MPa时，单轴加载条件即围压为0 MPa时，试件破坏的最严重，达到了强度极限。随着围压的增加，岩体出现的裂纹越来越少，程度和规模都明显减小，当围压为5 MPa时，试件产生2条明显的裂纹，但没有达到试件的强度极限；当围压为10 MPa时，试件产生一条明显的裂纹，此时试件仍然有较高的抗压强度；当围压达到15 MPa时，试件基本没有明显裂纹产生。因此，围压的增加能够增强岩体的强度，抑制裂纹的产生和扩展。

图6 岩石真三轴加载装置图

图7 不同围压下岩体的破裂形态图

深部岩体洞室开挖会引起围岩体应力的重新分布，应力状态也会相应的由三维状态转变为二维甚至一维状态，导致储存在岩体内的弹性应变能随着岩体裂隙的扩展和非连续变形的产生而释放出来。在这个过程中，岩体的应力应变关系非常复杂，仅仅用应力或应变来分析和判断围岩体的稳定性相对困难[18-20]。基于此，利用室内试验来分析岩体的开挖效应，即开挖面或掌子面的卸载效应。试验步骤如下:首先对类岩石试件施加三向荷载，待荷载稳定后，将模拟掌子面的一面荷载卸除，通过该面的卸载试验来定性反映洞室开挖工程中掌子面的卸载效应，加卸载示意图如图8所示。

图8 类岩石试件加卸载示意图

卸载后，试件的裂隙扩展形态如图9所示。当卸载试件一个侧面的荷载时，该侧面的应力得到释放，储存在岩体中的能量通过裂隙扩展的形式被释放出来。因此，同围压下，相较于无卸载的情况(如图7所示)，卸载面的裂隙扩展程度有所加重。同时注意到，卸载面的裂隙扩展方向近似平行于最大主应力方向。这便很好的解释了洞室岩体工程中，开挖洞室容易引起洞壁围岩产生劈裂破坏的现象。

图9 不同围压下试件的卸载破裂形态图

3 温度对岩体裂隙扩展规律的影响

为了考虑不同温度下岩体的破裂规律，首先通过声发射装置选取声速稳定的16块试件进行加载试验。其中，20、40、60和80℃下试件各4块。加载完成后，不同温度下类岩石试件的典型破裂形态如图10所示。

图10 不同温度下试件的破裂形态图

由图10可知，随着温度的增加，岩石的破裂程度有所增加，温度加速了岩石内部储存弹性应变能量的释放，加快了裂隙扩展的进程。因此，在深埋地下高温的条件下，岩石更容易产生破裂现象。

类岩石峰值强度曲线如图11所示，温度的增加不仅加快了岩体破裂的进程，而且也降低了岩体的强度，使其承载力显著降低。峰值强度从20℃时的32 MPa降低到了80℃时的20.4 MPa，呈对数关系下降。

此外，为了研究超高温度对岩体的破裂影响，另选取声波速度大致相同的15块试件分别进行100、200和300℃的压缩试验，每种温度各取试件5块。试验过程中，100℃下的5块试件都正常加载，200℃下的5块试件中有3块在加载过程中直接炸碎，300℃下的5块试件中有4块在加载过程中直接炸碎，正常加载得到的8块试件的试验结果如图12所示。

图11 不同温度下试件的峰值强度曲线图

图12 不同高温条件下试件的破裂形态图

根据图11、12分析可知，超高温不仅降低了岩体的强度，而且显著影响了岩体的破裂特征。当温度较低时，岩体强度较高且有一定的抗压强度，随着温度升高，岩体的平均峰值强度降低(100℃时为19.43 MPa、200 ℃ 时为 14.29 MPa、300 ℃ 时为10.2 MPa)。从类岩石试件的试验情况和破裂形态来看，超高温条件下，岩体更容易炸裂，因此对于超高温条件下的岩体工程，需对岩爆等灾害提前做好预警、防治措施。