脆性岩石横向裂纹和纵向裂纹的抗压强度值的差异

脆性岩石横向裂纹和纵向裂纹的抗压强度值的差异

熊湾

广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室

摘要:岩体是指通过变化、发生或过破裂的地质体。在外来荷载条件下由岩体内部缺陷所产生的渐进性破裂,而这种过程又和材料自身所产生的内部缺陷之间具有着很大的关联。运用数值模拟方法,对带有双预制裂纹的脆性岩体的损伤规律开展了最初的深入研究,并系统分析了裂缝的出现及其对岩体损伤形式的影响机理。研究成果表明,在对含有双预制裂纹的岩体试块实施加载测试过程中,预先准备裂缝的出现成了影响岩体破坏方式的主要原因。而与此对比,由于材料非均质性而引起的影响便成了次要原因,而对具有双预制裂纹的岩体试块裂缝的间距则是影响岩体损伤形式的主要原因。

关键词:脆性岩石;横向裂纹;纵向裂纹;抗压强度值;差异

1脆性岩石概述

1.1脆性的定义

各个专业、各种领域对脆性材料的认识都有所不同,目前还缺乏一种被普遍认可的脆性概念和精确的脆性指标计算方法。有研究者把脆性界定为材料延展性或可逆性上的缺失,而脆性材料的程度则一般体现为变化不大的变形伸长量和变形体积。也有专家指出,当岩层的内聚能因为在其内部弹性区域内的变化而遭到破坏时,岩层就是脆性的,而且脆性材料的强度由受到破坏时的内部应力条件变化而确定。Obert等指出,如果铸造钢或岩石材料在达到最大或稍稍超过屈服强度时发生破坏,这样的金属材料就被看作是脆性的。而地质学和有关专业研究者则指出,当金属材料在破裂或损伤之前显示出变化很小,或没有塑性形变的特征为脆性。对脆性断裂而言,经典观点认为,断裂以前没有或极少出现永久性变化为脆性断裂,部分学者规定永久变化不大于百分之一,而也有学者规定岩石断裂以前的应变不大于百分之三就算为脆性断裂。

由此可知,脆性的定义目前尚不清楚。但对脆性材料的影响因素也相当繁杂,矿石成份、杨氏模量、泊松比、孔隙流体、抗拉强度、耐压性能、内摩擦角、纵横波速等因素都会对岩石中脆性材料产生一定影响。同时,由于目前的脆性材料评估方式比较繁杂,包括在交通桥梁工程、结构材料工程、深部岩体强化工程、煤炭开发、油气田开发工程设计等应用领域都给出过若干种脆性指数,但由于目前的脆性指数存在着一些的理论缺点和使用局限,对非常规贮层的可压裂性能评估也不够理想。

目前，认同较广泛的高脆性岩石的基本特征为:①断裂时温度变化率较小;②发生了断裂角破坏现象;③岩层为细小颗粒状构成;④高抗压和抗拉强度比;⑤高回弹力;⑥较大的内摩擦角;⑦在硬度试验时,断裂已开始发育完整。

1.2岩石的抗压强度

岩体的耐压性能,是指岩体试件在单轴压下达到破坏的极限值,它在数值上相当于破裂时的最大压或内部应力。而岩体的耐压性能一般在试验室里用加压机经过加压实验时测出的。试块一般用圆柱状(钻探岩心)或立方柱状(用岩块机械加工)。试块的截面尺寸,圆柱状试块用直D=5cm,但也有使用直D=7cm的;而立方柱形试块,用5×5cm或7×7cm。试块的宽度h,必须符合以下要求:

圆柱形试件 h=(2~2.5)D

立方柱形试件 h=(2~2.5)"A

其中D为试块的纵断面直径,A为试块的横断面积。当试块宽度不够时,其二端和加荷板间的摩擦力就可能影响到试验强度的结果。要使试块的二端都均匀光洁,即可使用石膏浆把其摩光洁,有时候也可使用混合与碎陶土的液硫灯加以摩光。根据测试结果,按下式计算抗压强度:

Rc= PA

式中可重构处理器—岩石单轴耐压强度(MPA);P—试块损坏时的负荷(MN);a—试块的横断面面积(m2)。

1.3岩石的裂隙

岩体在受力时断开,而随断层面并无明显移动的断层结构。其包含岩层与节理在其中,人们常把其和节理看作同义词。又按其形成方式分原生与次生裂隙二种。前者是在成岩步骤中产生,而后者则为在石头成岩后发生外力而成。按力的起源,又包括非构造与结构二种裂隙。前者主要是由外力地质相互作用所成,如风化、滑动、崩塌等裂隙,但它们常局限于地表,规模较小且散布不规律。而后者则是由构造作用所产生,分布范围极广且有规则,伸展得较长而深入,能切穿不同地层。裂隙对施工环境的影响很大,尤其是对隧洞和地下工程的稳定性影响更大。

2岩石抗压强度与层理、裂隙的关系

岩体的抗压强度不但与岩体构造面相关,也与岩体的软弱构造面相关(层理、裂隙等),软弱构造面上往往是岩体中最软弱的区域。而一般坚固完整岩体在特定条件下,都体现为"⊥"脆性断裂损伤,"X"型脆性材料的剪切损伤。有软弱构造面的岩体强度主要根据软弱构造面的强度和产状确定,岩体破碎多沿裂面或层理面剪切破碎,并且其强度比较全部岩体强度低得多。详见下表一。

3含单预制裂纹单轴压缩试验

本次试验主要研究带含预制裂纹的岩石试件在单轴压缩情况的受压破坏过程,并分析单裂纹对岩石试件破坏方式的影响,取某地的英云闪长岩作为试件进行模拟试验,.试件长度单位为×,把试块共剖分成一千二百(30×40)个三角形细胞,656(16x41)个节点细胞,岩石的弹性模量和抗拉力均符合坡度参数m=3.0的韦伯分布;试件在测试之前添加了一个预制裂纹,裂纹与水平方向成50.,裂纹直径为二十mm试验以位移方法加载,每一步的增加量均为零点零零一mm,总增加步数约为100步;试验过程中,侧向无约束,而顶底部均为以Y方位作为束缚,方位相对自由。

由实验可以看出,该试验中的岩石试件含有预制的裂纹,相对于材料的非均质性来说,裂纹成为了影响岩石试件破坏的主要因素。从图中第25步的岩石试件的情况可见,岩石试件在加载后,由于预制裂纹区域的应力集中效应,岩石首先从预制裂纹的两端开始发生破坏,随着荷载增加,裂纹从两端开始延伸扩展,扩展方向主要是两个方向的合成,一个方向是沿裂纹方向扩展,另一个方向是垂直裂纹方向。值得注意的是,与此同时,在预制裂纹的两侧都出现了破坏现象,这也是由于预制裂纹的存在所致。但在整个实验中,因为岩石试块的非勾质性而引起的随机损伤现象并不突出,因而可得出以下结论:对具有大量预制裂缝的岩石试块在进行加载实验过程中,预制裂缝的出现已经变成了影响岩体破坏方式的最主要原因。与之作对比,由F材料中非均匀质构特征所产生的影响,便成为了次要影响因素。由岩石试块的最终损伤形态可知,主损伤区主要分布于包括裂缝在内的一个范围,而大部分般坏的细胞则都聚集于预制裂缝的二端部份,而预制裂缝的二端亦有散布。

4双预制裂纹单轴压缩试验

本次该实验将重点探究含有双预制裂纹的岩石试块,在单轴压力情况下的受力损伤过程,并解析双裂纹对岩石试块损伤方式的影响,及其中双裂缝之间互相贯通的形式。试取某地的似斑状花岗闪长岩为试件,开展了模拟实验。试件的长度约为×,并把试块共剖分成约一千二百(30×40)个三角形细胞,656(16×41)个节点细胞,岩体的弹性模量和抗拉力均符合坡度参数m=二的韦伯尔分布。试件在试验前添加两条相互平行,并且间隔段距离的预制裂纹,两个裂纹与水平方向的角度均为50.,裂纹长度为20mm,两裂纹之间垂直距离长度为10 mm。试验以位移方法加载,每步增加重量为零点零零一mm,增加步数为一百步。试验过程中侧面无约束,顶底面均为以Y方向进行约束,而x方向则自由。

可以看出,岩石试件首先从两条预制裂纹的端部开始破坏,尤其是两条裂纹相邻的岩桥部位。随着荷载的施加,在预制裂纹的两侧开始出现破坏区域。之后,两条预制裂纹相邻的岩桥部位互相搭接、贯通,并且与两裂纹两侧的破坏区域合并为一个与预制裂纹的方向一致的破裂带。该实验表明,两条预制裂缝对岩石的破裂形式具有十分关键的作用,由于两条裂纹的间距较小,所以裂纹的贯通不十分明显,而是形成了一个以两裂纹为中心的破裂条带,因此可以得出预制裂纹的间距是影响裂纹扩展形式的一个重要因素的结论,同时也是影响岩石破坏情况的重要因素。

5结语

综上所述,本章对带有预制裂纹的脆性岩石的损伤规律进行了初步地研究,并分析了裂纹的出现及其对岩体损伤的影响机理。而研究也表明,在对具有预制裂纹的岩体试块进行加载测试过程中,预制裂纹的出现成为了影响岩体开裂方式的主要原因。与此比较,对于材料非均匀质构特征所产生的影响便成了最次要原因,同时,对存在双预制裂纹的岩石试件,双预制裂纹的相对间距也是影响岩石材料破裂形态的最主要原因。另外,单裂纹的角度、长短以及双裂缝的角度、长短及其相对位移等因素,都是影响脆性岩石材料损伤形态的最主要原因,更值得深入地探究。

参考文献：

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