内置单裂隙相似材料岩样破坏特性及电阻率变化特性试验研究

2020-05-21赵智宏于雨恒于鑫宇周嘉敏韩佳康

水利规划与设计 2020年5期

赵智宏，于雨恒，于鑫宇，周嘉敏，韩佳康，贾蓬

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

1 概述

随着深部岩体工程的发展，深部含裂隙岩体的破坏机制和灾前预测逐渐发展成为目前工程地质界广泛关注的热点问题。自然岩石属于非均质材料，其内部广泛含有各种原生节理、裂隙，在经过加卸载等工程扰动后，岩体的力学特性将不由岩石所决定，而是由内部所包含的裂隙和节理等决定，其变形破坏过程也可以归结为内部所含微裂隙的扩展、聚合和贯通等导致内部损伤逐渐积累而失去承载力的过程[1]。在岩石破裂过程中，其力学参数和电阻率会发生显著性变化，由于原位试验的复杂性，关于岩体裂隙扩展及损伤破裂特性的研究一般通过室内试验开展。

李术才等[2]采用试验手段研究了含内置三维裂隙类岩石材料在拉伸作用下的力学性能和断裂特性，并且在试验中观察到了内置裂隙长轴产生的包裹状翼裂纹以及短轴附近的扭结区破坏；郭彦双、付金伟、朱维申等[3- 5]采用类岩石透明树脂材料，脆性特性有了大幅提高，更接近岩石，研究了不同加载条件下裂隙扩展和试件破裂规律与应力-应变的关系，并且在裂隙试件观察到了似包裹状破裂、花瓣形裂纹与预制裂隙轮廓的搭接贯通现象。

对于岩石破裂过程电阻率变化规律的研究，李德春[6]等对传统电阻率测量方法进行了改进，并观测了岩样受压至破坏过程中的电阻率变化规律，得到不同岩性岩石的电阻率和压力的关系曲线。陈耕野[7]研究了岩石应力的电学效应及其断裂演化规律，其试验结果表明岩石内部裂隙的变化会引起岩石电阻的改变，所有电阻-应变曲线都存在一个岩石电阻最小值，并对应岩石开裂应力。仇海生[8]对受载煤岩进行了电阻率-声发射监测，证实了电阻率变化和煤岩内部裂隙形成、扩展和贯通密切相关。Wang[9]采用电阻率和声发射联合测试手段，根据岩石在损伤过程中电阻率与弹性模量的变化关系，得到不同损伤状态下岩石电阻率与损伤变量的关系。Chen[10]等建立了负载型煤的电阻率实时检测系统，测试和分析了在全应力应变过程中电阻率响应及其机制规律，得到了由膨胀引起的电阻率变化的前兆信息，为通过电阻率法预测和预测煤岩体动力灾害打下基础。李术才[11]等通过对单轴压缩下含单裂隙岩石破坏过程的电阻率和声发射监测，表明了岩石破坏过程中电阻率信号和声发射信息具有较强的规律性和互补性。

为研究单轴加载下不同倾角内置三维裂隙岩样在破坏过程中的力学参数以及电阻率变化特征，本文采用相似材料通过预埋薄片法预制内部三维裂隙试件，通过四级法实时测试电阻率，探讨了内置裂隙倾角对岩样破坏模式、力学特性以及电阻率特征的影响，得出了不同裂隙倾角岩样力学性能变化及电阻率变化特性，为实际工程提供参考。

2 试验装置及方法

2.1 试件制作

相似材料的选择和试件制备：在参考前人的基础上，选取了以水泥、天然河砂、减水剂、水制作相似材料岩样，其中，河砂子作为骨料，PO32.5普硅水泥当做胶结剂，减水剂用于减少水的用量，尽量减小试件的干缩效应，同时改善水泥砂浆拌合时的稠度，易于浇筑。配合比为水泥∶中砂∶高效减水剂∶水=1∶2.34∶0.01∶0.45。按照以上配比制作含预制裂隙试件和完整试件，采用预埋薄片法预制内部裂隙，预制裂隙与水平方向夹角为α，制作完毕后在标准环境下养护28天。按岩石力学规范要求测试试件的单轴抗压和抗拉强度。

2.2 试验设备和仪器

试验装置图如图1所示。

图1 试验装置图

(1)加载设备：3000kN岩石刚度试验机。本系统主要用于进行岩石及混凝土材料的力学性能实验研究，其实验内容主要包括：单轴加载、巴西劈裂、直剪以及试样的双向加卸载试验、广泛用于科研、岩石(混凝土)材料的力学性能测试、教学等领域。

(2)电阻率测试：采用多通道电流电压实时无纸记录仪。通过变压器及交流转直流转换器将220V交流电压转换为24V直流电压，并施加于A和M点，在M、N处分别测量电压值。其间距为100mm，裂隙长轴延伸方向为2、4面，2面为浇筑面，不进行电阻率测试，在4面进行布置电极测试电阻率。无纸记录仪可以实时记录各面电压值和电流值。用电压除以电流即可得出各面电阻。电阻率计算公式为：

(1)

式中，ρ—试件M、N截面的电阻率；R—试件的M、N两处的电阻值；S—试件的竖向截面面积；L—试件M、N之间的长度。

2.3 试验流程

(1)在岩石试块上贴电极片、焊接导线，导线连接好后浸入水中并真空抽气3～5h。

(2)取出岩样擦除表面残留水分并及时用凡士林或者蜡膜进行表面封水处理。

(3)连接无纸记录仪，并将所述岩石试块放置压力机上。

(4)记录此时无纸记录仪所显示的初始值和时间，并启动压力机开始试验。

(5)无纸记录仪实时记录电压电流值，直至试样被压坏，记录破坏时间，数据处理得到相关曲线。

3 试验结果及分析

3.1 相似材料参数

类岩石材料基本物理力学参数与真实砂岩对比见表1。

表1 类岩石材料基本物理力学参数与真实砂岩对比

由表1可见本试验采用相似岩样物理力学参数和真实砂岩具有一定的相似性。

3.2 岩样破坏特性分析

应力-应变曲线如图2所示。

图2 应力-应变曲线

通过图2可以看出，在单轴受压情况下，含预制裂隙岩样的峰值强度和弹性模量均发生显著降低，这与采用RFPA3D数值模拟所得试验结果基本一致[12]。完整岩样峰值强度为35.48MPa，0°裂隙试件峰值强度为13.51MPa，相比完整试件下降幅度为61.92%，30°裂隙试件峰值强度为14.45MPa，下降幅度为59.27%，45°裂隙试件峰值强度为17.14MPa，下降幅度为51.69%，60°裂隙试件峰值强度为20.66MPa，相比完整试件下降幅度为41.77%，90°裂隙试件峰值强度为23.44MPa，下降幅度为33.93%。通过对比可以发现预制三维裂隙会导致试件强度发生劣化，当裂隙与水平方向夹角较小时对试件峰值强度影响较大，当预制裂隙为90°时对试件影响相对较小，这是因为90°裂隙存在导致试件分成两部分，存在“多柱状”承载结构，试件强度相比其他角度裂隙较高。

弹性模量总体变化与峰值强度一致，如图3所示。弹性模量随倾角增大整体呈上升趋势，完整岩样弹性模量为5.63GPa，0°裂隙试样为2.08GPa，与完整岩样相比下降幅度为63.06%，30°裂隙试件为1.75GPa，下降幅度为68.92%，45°裂隙试件为1.11GPa，下降幅度为80.24%，60°裂隙试件弹性模量为3.20GPa，相比完整试件下降43.16%，90°裂隙试件为2.22GPa，下降幅度为60.57%；从变形能力上来说45°裂隙试件变形较大，此时试件摩擦力较大，试件变形能力强。由此可见裂隙角度对峰值强度和弹性模量影响均较大，岩样中存在裂隙时其强度和弹模等参数以及稳定性将由裂隙控制。

图3 峰值强度与弹性模量随倾角变化

岩样实际破坏模式及素描图如图4所示。

根据图4可以看出，裂隙倾角对试件破坏模式具有显著影响。裂隙倾角在0°～90°变化时试件主要呈现出三种破坏模式：沿预制裂隙面的剪切破坏模式、和预制裂隙面呈一定角度的拉剪复合模式以及张拉破坏模式。完整相似岩样加载初期变形较小，虽然涂油会减弱端部效应，但是其依旧存在，其端部会首先形成微小裂纹，其起裂方向均平行于最大主应力方向，荷载继续增加，裂隙数目和长度逐渐增加并逐渐联通，试件破坏受两条主要裂纹控制，试件发生张拉破坏。

0°裂隙试件裂隙面与最大主应力方向垂直，破坏模式和完整试件较为类似。30°倾角试件受到剪切和拉伸作用，但拉伸作用较强，表现为拉剪复合破坏。45°倾角试件裂隙两侧岩块抗剪强度和抗拉强度低于抗压强度，其裂隙位置和扩展方向沿预制裂隙方向，可以认为剪切破坏模式，试件表面发生剥落。60°试件和30°试件较为相似，发生拉剪复合破坏，但拉伸作用较强。90°裂隙试件在裂隙位置首先开裂，荷载由两侧岩块承担，试件在压应力作用下发生张拉破坏，最后形成三条主裂纹。

图4 岩样实际破坏模式及素描图

3.3 岩样破坏过程电阻率变化分析

以加载过程中的应力和峰值应力百分比作为横轴，以加载过程中的电阻率和初始电阻率比百分数作为Y轴建立图像，如图5所示。其展示了不同角度裂隙岩样破坏过程中电阻率随应力变化特征，通过对比可以发现，完整岩样、30°倾角岩样和45°倾角试件电阻率变化较为一致，在加载过程中呈现出先下降后上升趋势，60°、90°倾角试样呈现出先上升后下降趋势，而0°倾角试样在受载过程中一直处于下降阶段。

内置裂隙岩样受载过程中电阻率会存在一个突变点，完整裂隙岩样电阻率突变点约为峰值应力的70%左右，0°、30°试样突变点为峰值应力的60%左右，45°倾角电阻率突变点约为峰值应力88%左右，60°试件电阻率突变点约为峰值应力水平的38%，90°为峰值应力水平的15%。这是由于岩样各面非均匀性导致的。电阻率变化与裂隙的扩展和

贯通密切相关，0°～45°倾角试件压密阶段较长，电阻率会呈现出下降段，而60°和90°张拉破坏明显。没有初始电阻率下降阶段。