充填节理砂岩波速及强度影响试验研究

郭运宏,马芹永

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

砂岩是一种典型的沉积岩，在沉积过程中岩体内部含有大量裂隙、节理，这种裂隙、节理等结构面对岩体的纵波波速和力学性能产生很大影响[1]。近年来，国内外众多学者对节理岩体力学特性进行了大量研究。文献[2]通过一系列三轴压缩试验研究了断续节理对岩体强度的影响，总结了7种宏观破坏模型。文献[3]通过试验得出，节理岩体峰值强度主要受节理几何参数控制，且节理密度是影响岩体强度的最重要指标。文献[4]通过裂隙大理岩的单轴压缩试验探究其变形破坏特性。文献[5-6]采用相似材料模型试验总结得出节理岩体动态强度及破坏模式与节理构造形态有很大关系以及研究了非贯通岩体单轴压缩动态损伤本构模型。文献[7]对天然贯通石灰岩的力学性质进行了探究。文献[8]对充填水泥砂浆岩石进行探究，总结其峰值剪切强度的模型。文献[9]对含层理黑云变粒岩的单轴压缩试验并用数值模拟进行验证，探究力学特性。文献[10]探究岩石单轴压缩的表征损伤特征及演化规律。文献[11]探究了花岗岩在冲击荷载下的动态断裂特征。文献[12]探究了在真三轴应力下岩石的物理模型。文献[13]对两块石灰石进行边缘冲击试验探究其动态碎裂特征。文献[14]采用断续的节理大理岩试件研究了裂隙参数几何分布对其变形及破坏的影响，总结研究得出峰值强度、弹性模量等都出现明显降低，且降低幅度与裂隙参数几何分布有关。文献[15]对非贯通节理岩石进行单轴压缩试验，对岩石尖端塑性区和弹塑性断裂模型进行了深入的研究。

声波波速是反映岩石密实程度的重要参数之一，而岩石的强度更是研究其静态力学性能的关键。探究节理岩石充填材料和厚度对岩石试件的纵波波速和单轴压缩下的强度的影响，可以为相关地下岩体工程设计与施工提供参考。试验以安徽淮南张集北煤矿巷道掘进过程中常见的砂岩为研究对象，研究节理岩石充填材料和厚度对岩石试件的纵波波速和单轴压缩下的强度的影响，分析了节理对岩体强度及破坏模式的影响规律。

1 试验概况

1.1 岩石采样

试验所用岩石采自安徽淮南张集北矿北-1煤采区井底车场，岩性为砂岩，呈灰白色。利用立式取芯机、自动岩石切割机和双端面磨石机等设备进行取芯、切割和打磨，使其标准试件尺寸为φ50mm×100mm,使其满足试验要求。

1.2 充填节理试件

试验试件的节理岩石的节理材料选用配比合适的水泥砂浆、水泥浆、石膏[16]，其节理材料的力学参数见表1。

表1 节理材料的力学参数

为研究充填材料对砂岩的纵波波速和单轴抗压强度的影响，将充填物厚度统一为10mm。另外两种充填厚度为5mm和15mm只是针对水泥砂浆节理材料，用于研究不同充填节理厚度对岩石的波速和单轴抗压强度的影响。节理部分制作好后用环氧树脂与岩石黏结成整体，尺寸均为φ50mm×100mm，试件示意图如图1所示。

图1 试件示意图

2 充填节理砂岩波速试验结果与分析

2.1 节理材料对砂岩波速影响

砂岩加工完成后放在实验室让其自然干燥，干燥之后采用超声波测试仪测试不同充填节理材料岩石试件的波速，每组3个试件，节理厚度为10mm。Vp为试件的纵波波速，Va为试件的平均波速。结果如图2所示。

图2 节理材料对波速的影响分析图

从图2可以看出，完整砂岩试件的平均波速为3 512m/s，石膏节理试件的平均波速为2 847m/s，水泥浆节理试件的平均波速为3 149m/s，水泥砂浆节理试件的平均波速为3 224m/s。得出含节理岩石试件的波速比完整岩石分别降低了18.9%、10.3%、8.2%。

同时也可以看出，节理材料对砂岩试件的纵波波速有明显影响。从表1来看，水泥砂浆的密度最大，水泥浆次之，石膏的密度最小，材料的密度对波速的传播有着很大的影响，所以水泥砂浆节理砂岩试件的波速降低最小，影响最小，石膏节理砂岩试件的波速降低最大，影响最大。

2.2 节理厚度对砂岩波速影响

图3 节理厚度对波速的影响分析图

为研究节理厚度对砂岩波速的影响，选用水泥砂浆作为节理充填材料，三种不同的充填厚度，结果如图3所示。从图3可以看出，节理充填厚度对砂岩的波速有着明显的影响，试件节理厚度为5mm、10mm、15mm时，节理砂岩试件的平均波速分别为3 291m/s、 3 224m/s、3 043m/s， 较完整砂岩试件的平均波速3 512m/s，波速分别降低了221m/s、288m/s、469m/s，降低幅度分别为6.3%、8.2%、13.3%。由此可得，节理砂岩的波速与节理的厚度呈负相关的关系，随着节理砂岩厚度的增加，砂岩的波速逐渐降低。

砂岩的密度要比水泥砂浆大很多，所以在砂岩中的纵波波速要比节理部分中的水泥砂浆波速高，在充填材料相同的情况下，厚度越大对整体的影响就会越大，波速就会越低，就会反映出随着厚度变大而波速降低的现象。

3 充填节理砂岩强度试验结果与分析

3.1 节理材料和厚度对砂岩强度影响

对不同节理材料砂岩试件进行单轴压缩试验时，节理厚度为10mm，每组选取两个最接近的数据。试验结果如图4所示。

图4 不同节理材料砂岩试验影响图

从图4可以看出，完整砂岩试件的单轴抗压强度平均值为63.5Mpa；充填石膏、水泥砂浆、水泥浆砂岩试件的单轴抗压强度平均值分别为21.61MPa、29.92MPa、60.4MPa，与完整砂岩试件相比强度分别下降了65.7%、52.9%、4.9%；充填节理材料对砂岩试件抗压强度的有着显著的影响。节理砂岩试件的整体抗压强度会受节理材料的强度大小而发生变化，材料强度越大就会与砂岩强度越接近，其影响就会变小；而三种材料中水泥浆强度最大，石膏强度最小，即水泥浆节理砂岩试件的抗压强度降低的幅度小，而石膏节理砂岩试件的抗压强度降低的幅度就大，所以就会呈现出随着节理材料强度降低而降低的趋势。

对不同节理厚度砂岩试件进行单轴压缩试验时，节理材料均为水泥砂浆，节理厚度均为5mm、10mm和15mm，每组选取两个最接近的数据，表中σc表示抗压强度。试验结果如图5所示。

图5 不同节理厚度砂岩试验影响

从图5可以看出，完整砂岩试件的单轴抗压强度平均值为63.5Mpa；节理厚度为5mm、10mm、15mm的砂岩试件的单轴抗压强度平均值分别为40.7MPa、29.92MPa、27.23 MPa，较完整砂岩强度分别降低了35.9%、52.9%、57.1%。节理厚度对砂岩试件的强度具有明显的影响，且试件的强度随着节理厚度的增加而降低。

充填材料都是水泥砂浆，但水泥砂浆的强度比砂岩的强度要小，节理试件中的节理部分厚度会对试件强度的破坏有阻碍的作用。厚度越小，阻碍的效果就会越差，试件的破坏主要是砂岩部分，此时需要的应力就会大，而当节理部分厚度越大时，试件的破坏则是节理部分的先受破坏，此时砂岩部分还未到达破坏强度而试件整体确已经破坏碎裂，强度则会比砂岩的强度小很多。这就会出现试件的强度随节理厚度的增加而减小的现象。

(a)不同充填材料节理试件应力-应变曲线

(b)不同充填厚度节理试件应力-应变曲线图6 不同节理材料和厚度砂岩试件的应力-应变曲线

图6是单轴压缩条件下的不同充填材料和厚度砂岩试件的应力-应变曲线。从图6可以看出，不同充填节理材料和厚度的砂岩试件应力-应变曲线都可以分为四个阶段，分别是初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段和峰后破裂阶段。

从图6(a)中可以看出，完整砂岩初始压密阶段曲线比含节理试件是曲线要陡，曲线的斜率较大，充填水泥浆试件的曲线斜率的又比充填石膏和水泥砂浆曲线斜率要大;在线弹性阶段中四条应力-应变曲线都近似于直线，但斜率相差很大，完整砂岩曲线斜率最大，含节理试件曲线斜率随着节理材料强度的增大而变大；在塑性变形破坏阶段，随着节理材料强度的增大，试件曲线斜率逐渐变大；在峰后破裂阶段，试件在到达峰值应力过后，完整砂岩试件承载能力就快速的降为零，含节理试件则是较为缓慢的下降，逐渐降为零。

从图6(b)中可以看出, 初始压密阶段曲线都存在上凹现象，但随着节理厚度的增加，其曲线的斜率逐渐减小；在线弹性阶段，四条应力-应变曲线都近似于直线，随着节理厚度的增加，其曲线的斜率逐渐减小，说明节理厚度对砂岩试件的弹性模量有直接的影响；在塑性变形破坏阶段，随着节理厚度的增加，其曲线的斜率逐渐变小，说明随着节理厚度的增加，释放弹性能的速率有减小的趋势；在峰后破裂阶段，完整砂岩试件承载能力就快速的降为零，随着节理厚度的增加，含节理试件的下降趋势发生了变化，峰值应力后，曲线逐渐由脆性破坏向塑性破坏转变，说明节理厚度的变化会对砂岩的破坏模式产生很大的影响。

从图6中可以看到节理厚度为10mm的砂岩试件的极限应变分别大于节理厚度为5mm和10mm试件的极限应变，是不规律的现象，这与选择的充填节理材料的力学性能密切相关，当材料的强度与砂岩的强度相近时，在单轴压缩时会呈现出一定的规律，但该试验选择的是水泥砂浆，其力学强度与砂岩相差较大，在做压缩试验时，极限应变会出现图6中不规律情况。

3.2 节理材料和厚度对砂岩强度影响

图7 不同充填材料及厚度的砂岩试件破坏形态

由图7可知，不同充填材料的砂岩试件中，完整砂岩和含节理砂岩试件主要以张拉破坏为主，形成竖向的裂纹。完整砂岩破坏的比较严重，含节理试件的破坏程度相对较小，说明节理存在可以对裂纹的发展产生阻碍效应。节理材料强度的不同，阻碍效应也不一样，随着节理材料强度的增加，其破坏程度就越小，由于强度越大的材料单轴压缩时释放弹性能的就越大，就会阻碍其破坏过程，所以充填水泥浆节理试件的破坏就较小，裂纹也较少，而充填石膏砂岩试件破坏就较大，裂纹也多。

从图7中可以发现，不同充填厚度砂岩试件中，试件的破坏以拉剪破坏为主，并伴随一定的破碎区。节理厚度为5mm时，没有形成明显的剪切破坏面，只能看到竖向的裂纹，节理部分破坏的不严重；节理厚度为10mm时，砂岩部分的破坏程度有所降低，节理部分破坏程度有所加深，出现少量的水平裂纹和破碎；节理厚度为15mm时，节理部分的水平裂纹增多，破碎面变大。这说明随着节理厚度的增加，会转移砂岩部分的能量，节理部分承担的能量就会变大，破坏更明显，裂纹变多。

4 结论

(1)不同的充填材料和厚度对节理砂岩试件的纵波波速有显著的影响。充填材料的密度影响试件波速的大小，充填水泥砂浆试件影响最小，充填石膏试件影响最大；节理砂岩的波速与节理的厚度呈负相关的关系，随着砂岩节理厚度的增加，砂岩的波速逐渐降低。

(2)在静态单轴压缩条件下，充填材料分别为水泥浆、水泥砂浆、石膏的砂岩试件，试件抗压强度随着节理材料强度的降低而降低。充填节理厚度为5mm、10mm、15mm砂岩试件，试件抗压强度随着节理厚度的增加而降低。

(3)在应力-应变曲线上，都可以分为初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段和峰后破裂阶段。不同充填节理材料和厚度的砂岩试件在各个阶段中曲线的表现特征是显著不同的。