贯通裂隙岩体单轴压缩强度与能量演化机制研究

郭 威

(1.华北水利水电大学岩土力学与水工结构研究院，河南 郑州 450046;2.河南省岩土力学与结构工程重点实验室，河南 郑州 450046)

0 引言

节理、裂隙等软弱结构面广泛分布于自然界的岩体中，破坏了岩石的完整性与均匀性，严重影响岩体的强度与变形破坏形式。岩石在荷载作用下的变形破坏本质上是岩体内部能量积聚与转化、岩体裂隙逐步发展的结果［1-3］。

研究人员对不同材料、结构的裂隙岩体在各式荷载下的变形破坏形式与力学特性进行了大量研究。李银平等［4］研究岩体不同方位、长度的原生裂纹对岩体变形、裂纹发展的影响，探究裂隙的扩展、岩体力学特性规律。蒲成志等［5-6］在考虑相似材料的基础上，研究裂隙岩体在不同岩桥倾角下力学特征与失稳破坏形式。Zhang等［7］利用数值模拟软件预制单裂隙、多裂隙的标准岩样，研究岩样在单轴压缩下应力场在不同裂隙下的影响变化规律，总结双裂隙岩体中岩桥的断裂破坏模式与裂纹的出现、发展、贯通的过程。陈旭光和张强勇［8］研究了岩石受荷变形至破坏过程中能量的变化、转移机制。

现有的研究主要是针对不同形式裂隙的破坏情况与力学变化情况，对不同倾角的贯通裂隙岩体的力学劣化性质与能量演化机制较少。探究岩样在不同倾角贯通裂隙下的破坏特征与极限抗压强度，并采用声发射试验仪反映贯通裂隙岩石单轴压缩下能量演化状况，对岩石工程的稳定性具有重要的研究意义。

1 试验概况

1.1 试样制备及试验设备

试验采用岩石为黄砂岩，矿物成分主要为石英、方解石、云母，密度为2.67 g/cm3，波速为2.71 km/s，如图1所示。将黄砂岩加工成标准试件的岩样（直径d=5 cm，高h=100 cm），采用试验设备微机控制电液伺服压力试验机（YAW6202）将岩样进行单轴压缩。试验过程中采用速率为0.05 cm/s位移控制法给试件施加上部荷载。将PCI-Ⅱ声发射仪探头对称放置于试件中部，采集岩样在单轴压缩下的声发射数据。

图1 岩石标准试样

1.2 试件破坏特征

如图2所示，完整岩体与不同倾角的裂隙岩体其破坏特征也不尽相同。前4组为岩石破坏，后两组属于岩体破坏，既人造结构面破坏。岩样无裂隙、裂隙角度小于45°时，岩样在应力作用下出现裂纹破坏，而角度大于45°时，岩样基本上会随着结构面剪切滑移。

图2 试样单轴压缩破坏后岩石图片

当岩石试件完整时，岩体破坏后的岩石较为破碎，岩体出现多条贯通裂纹。试件破碎较为彻底；当贯通裂隙倾角为0°时，试件出现多条裂纹，主裂纹角度约82°，试件通过主裂纹大致可分为两部分。当贯通裂隙倾角为15°时，试件并未发生贯通，试件下部预制裂隙间出现裂隙，试件丧失承载力。当裂隙倾角为30°时，两条贯通裂纹中主要一条近似垂直预制隙，与另一条贯通裂纹试件下部交汇。当贯通裂隙倾角为45°和60°时，试件的破坏特征类似，试件随着结构面破坏。45°贯通裂隙出现部分次生裂隙，表明裂隙处出现较大的摩擦力，而60°裂隙处较为光滑，为脆性破坏。

1.3 应力应变曲线

对不同裂隙倾角的应力应变曲线分析发现，如图3所示，完整试件的抗压强度较高，抗压强度为90 MPa。裂隙的出现会造成岩样损伤。试件的贯通裂隙为0°时，试件的抗压能力较强，能够承受较大的荷载。试件在丧失承载能力之前出现三个应力极值，表明试件在破坏前出现多次损伤。岩样在达到第一个应力极值后略微下降，与该试件的破坏模式对比发现，此时试件内部已经出现较大的裂纹，岩样出现一定程度的劣化。15°裂隙倾角的试件应力达到峰值强度后快速下降，然后小幅度上升，随后突降。这表明试件出现破坏之后，还能保持一定承载能力。30°裂隙倾角的试件随着荷载的增加而逐渐上升，达到最大极值后快速下降，是较为明显的脆性破坏。45°倾角岩样应力平缓上升，达到极值后，应力随着应变增长先缓慢下降，后急速下降。表明试件发生损伤后，在一定程度仍然拥有较大的残余强度，能够承受一定的荷载。60°倾角应力平缓上升，达到最大应力值后突降，与30°的裂隙倾角表现一致，表现出较强的脆性破坏。裂隙等结构面的出现，会极大地损伤岩石的抗压强度和弹性模量。随着贯通裂隙倾角的增加，试件的单轴抗压强度和弹性模量逐渐下降。

图3 应力应变曲线图

图4为抗压强度与弹性模量图，如图4所示，随着裂隙倾角逐渐上升，岩样能承载的最大抗压强度也不尽相同，当裂隙倾角为0°时，极限应力为76.3 MPa，相比完整岩样，下降15.6%。

图4 抗压强度与弹性模量图

当贯通裂隙倾角上升至15°时极限应力值为63.4 MPa，相比完整岩样，下降29.6%。当贯通裂隙倾角上升至30°时极限应力值为40.5 MPa，相比于0°，下降55%。当贯通裂隙倾角上升至45°时极限应力值为44.3 MPa，相比于0°，下降50.8%。当贯通裂隙倾角上升至60°时，极限应力为31 MPa，相比于完整岩样，下降65.4%。

当贯通裂隙倾角为0°时弹性模量为63.3 GPa，相比于完整岩样，下降23.2%。当贯通裂隙倾角上升至15°时弹性模量为51.8 GPa，相比于完整岩样，下降27.9%。当贯通裂隙倾角上升至30°时弹性模量为31.1 GPa，相比于完整岩样，下降62.1%。当贯通裂隙倾角上升至45°时，弹性模量为44.8 GPa，相比于完整岩样，下降45.4%。当贯通裂隙倾角上升至60°时弹性模量为23.7 GPa，相比于完整岩样下降71.1%。

2 声发射模拟结果

如图5所示，声发射的振铃计数变化趋势与岩样的应力应变曲线存在良好的对应关系。声发射振铃计数可分为4个阶段，裂纹加密阶段、弹性阶段、裂纹扩展阶段、贯通破坏阶段。压密阶段，试件与压力机接触，内部压力突增，内部微小裂隙受压闭合，薄弱部位出现微裂缝，此时振铃计数数量呈现小幅度上升，该阶段持续时间较短。此后试件内部应力逐渐上升而进入弹性阶段，声发射事件少，随着荷载的逐渐上升，试件内部应力积累超过临界值，裂纹快速发展，振铃计数数量突增，振铃计数峰值多集中在这一阶段。继续加载进入峰后破坏阶段，岩体的裂隙快速贯通，试件破坏，丧失承载能力。

由图5可知，应力变化曲线与振铃计数之间变化趋势较吻合。岩样处在弹性变形阶段时，应力平稳上升，此时声发射振铃计数少，处于“平静”状态。应力曲线出现剧烈变化时，振铃计数数量也相应出现突增。岩样出现大幅度裂纹，岩石破坏释放出大量能量，振铃计数出现丛集现象。0°试件在受压过程中的弹性阶段在受压过程中振铃计数出现小幅度上升，表明试件此时开始出现裂隙，应力应变曲线在试件即将破坏时出现数次波动，振铃计数也相应出现3次突增。45°试件在应力应变曲线前期出现大量振铃计数，随后在弹性阶段振铃计数减少，在破坏阶段出现振铃计数数量突增。同时，45°试件在应力到达峰值后缓慢下降，出现一段应力缓慢下降过程，振铃计数数量小幅度升高，表明试件在破坏后能具有一定的承载能力，裂隙继续发展。60°应力曲线达到峰值后快速跌落，在试件破坏时振铃计数突增，其他阶段振铃计数数量较小，表明试件是明显的脆性破坏。另一方面，比较5个试件样应力应变曲线与声发射振铃计数发现，声发射振铃计数数量高的是0°试件，也表明该试件破坏最为剧烈。可通过声发射振铃计数来反映裂隙的量级尺度。

图5 应力应变曲线与振铃计数对比分析图

3 结论

通过试验设备微机控制电液伺服压力试验机（YAW6202）与PCI-Ⅱ声发射试验仪，研究不同倾角的贯通裂隙岩体在单轴压缩荷载作用下的极限抗压强度，获取演示破坏特征以及能量演化机制。

试验结果表明：①由于贯通裂隙破坏了岩石材料的完整性和均匀性，所以不同倾角的贯通裂隙的破坏特征也不尽相同，随着倾角增加，试件单轴压缩破坏模式由上下拉压破坏转为随着预制裂隙剪切破坏；②随着裂隙倾角的上升，试件单轴抗压强度与弹性模量均出现劣化；③贯通裂隙试件在单轴压缩荷载下应力应变曲线与声发射振铃计数变化情况较吻合，能够有效反映岩体内部的裂隙出现、发展直至岩石破坏失稳的过程。