单轴压缩下填充含缺陷砂岩力学性能试验研究★

赵岩王海龙詹亮

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

·岩土工程·地基基础·

赵岩王海龙詹亮

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

通过单轴压缩试验，对含孔洞砂岩岩样及充填含孔洞砂岩岩样进行了研究，并从裂纹扩展角度，阐释了填充含缺陷砂岩力学性能的变化规律，得出了一些有意义的结论，为同类问题的研究提供了依据。

单轴压缩试验，充填砂岩，力学性能，裂纹

岩石是由各种矿物的颗粒、结晶、碎屑以及联结(胶结)等固体物质及其孔隙组成的[1]，因此天然岩石中都会存在不少内部缺陷。在隧道及地下工程中，水泥注浆常常被用来加固岩石[2,3]，所以进行含缺陷及充填含缺陷砂岩岩样相关力学性质的研究具有重要的工程意义。杨圣奇等[4]基于岩石力学伺服试验机和岩石声发射仪的试验结果分析了单轴压缩下含孔洞裂隙砂岩的力学特征的变化规律；朱谭谭等[5]通过室内单轴压缩试验研究了含孔洞—裂隙组合型缺陷砂岩承载力的劣化规律；杨圣奇等[6]基于颗粒流研究了裂隙倾角对双孔洞裂隙试样力学特性及裂纹演化机制的影响规律；基于PFC2D，黄彦华等[7]分析了岩桥倾角及围压对断续双裂隙砂岩力学性能的影响规律；尹干[8]通过单轴压缩试验研究了充填正交裂隙花岗岩的强度劣化规律及裂纹萌生扩展机制；杨仁树等[9]通过相似试验分析了充填材料力学性质对岩石动态力学行为的影响规律；刘欣宇等[10]利用类岩石材料进行试验进而研究了高径比及充填节理特征对岩石力学特征的影响规律。胡盛斌等[11]对充填物与岩石本体进行了应力集中及热应力集中影响规律的研究。

实际工程中，在对节理破碎围岩进行加固过程中经常会遇到在岩石缺陷(孔洞)中注浆的施工工艺，鉴于此，本文将基于含孔洞砂岩及充填砂岩试样单轴压缩试验的试验结果，从力学性能参数的变化规律及裂纹扩展机制方面对充填孔洞岩样的力学行为变化规律进行研究。

1 试验概况

1.1 试验材料

该试验选用的黄砂岩岩样为细晶粒结构，粒径相对比较均匀，呈致密构造，宏观均匀一致，平均密度约为2 185 kg/m3。

1.2 试验岩样制备

将试验黄砂岩制备成完整的长方体岩样，试样尺寸宽度、高度、厚度分别为60 mm,120 mm,30 mm。在完整岩样的基础上制备如图1所示的含孔洞砂岩及充填含缺陷砂岩试样。

试验岩样主要考虑如下3种情况：1)含单孔砂岩岩样制备：孔洞的直径d分别设计了0 mm,6 mm,8 mm,10 mm,12 mm五种，其中直径为0 mm的岩样实质上为完整的长方体岩样。2)填充32.5级复合硅酸盐水泥孔洞砂岩岩样：在预制的孔洞中填充现场制备好的32.5级水泥砂浆后经过养护制作成含孔洞充填岩样，然后用紫色颜料在孔洞处涂抹用来突出充填位置。3)填充42.5级普通硅酸盐水泥孔洞砂岩岩样：同充填32.5级水泥砂浆充填试样制备。

1.3 试验加载程序

试验采用WHY-2000微机控制压力试验机试验试样进行单轴压缩试验,试验前为了减小端部效应对试验的影响，在岩样端面均匀地涂一层凡士林润滑剂，试验采用位移加载方式，保持上加载板速度为0 mm/min，下加载板以0.06 mm/min速度向上加载。试验过程中采用高清摄像系统对岩样的破坏情况进行实时监测。

2 含孔洞黄砂岩试样强度和变形分析

单轴压缩下含不同直径孔洞黄砂岩试样轴向应力—轴向应变曲线如图2所示，其中d=0 mm的岩样为完整岩样。

由图2可知，与完整砂岩试样轴向应力—应变曲线相比含孔洞砂岩的峰值强度显著低于完整砂岩试样，并且随着孔洞直径的增大,峰值强度较完整试样降低的越大。由此发现，岩石内部的缺陷会在很大程度上降低岩石的峰值强度，并且随着缺陷尺寸的增大，峰值强度降低程度也越大。

由图3a)可知，完整岩样的峰值强度为56.73 MPa，而含孔洞黄砂岩岩样峰值强度分布在36.77 MPa(d=12 mm)和51.98 MPa(d=6 mm)范围之内；完整岩样的峰值应变为7.876×10-3，含孔洞黄砂岩岩样峰值应变分布在6.594×10-3(d=12 mm)和7.783×10-3(d=6 mm)范围之内。

由图3b)可知，完整岩样的弹性模量为9.69 GPa，而含孔洞黄砂岩岩样弹性模量分布在7.00 GPa(d=12 mm)和9.36 GPa(d=6 mm)范围之内。

3 充填含孔洞砂岩试样强度和变形分析

充填含缺陷砂岩试样(以d=12 mm为例)单轴压缩试验中轴向应力—轴向应变曲线和力学参数变化特征如图4所示。

由图4可以看出：1)单轴压缩下含不同工况充填材料的孔洞砂岩试样应力—应变曲线存在差异，随着充填材料力学性能的增强，充填试样的峰值强度也随之增大，并且增大幅度也逐步增大；2)充填岩样的弹性模量随充填材料力学性能的增强，逐渐增大，并且增加趋势幅度逐渐增大。

3.1 充填砂岩岩样起裂应力水平

砂岩作为一种岩石材料，其本身就存在内部缺陷，而岩石中的充填材料使砂岩内部结构更加复杂化，有研究认为岩石本体和填充物之间的接触面是充填含缺陷岩样中力学性能最低的区域[13]。起裂应力水平是表征充填含缺陷岩样非均质性的关键参数，表述如下：

其中，σc为试样的峰值强度；σ1为试样的起裂应力；L为试样的起裂应力水平。YANGSQ[12]认为岩石试验过程中萌生第一条宏观裂纹时所对应的应力为该岩石试样的起裂应力。本文在分析充填孔洞砂岩试样起裂应力及起裂应力水平时采用此定义。图5为孔洞直径为12mm的充填孔洞砂岩试样的起裂应力及起裂应力水平。

由图5可知：1)充填含缺陷岩样的起裂应力随着岩样中充填材料力学性能的增强逐渐增大。无填充岩样的起裂应力为26.79MPa；工况2，工况3填充时，充填试样的起裂应力分别为46.65MPa和49.05MPa，与无填充相比分别增加了19.88MPa和22.27MPa。2)和起裂应力一样，充填含缺陷砂岩岩样起裂应力水平也随着充填材料力学性能的增大呈增大趋势；随着充填材料强度的增大，起裂应力水平增长速度越快。

3.2 充填黄砂岩试样裂纹扩展演化机制分析

单轴压缩试验过程中，填充42.5级普通硅酸盐水泥的试样裂纹扩展过程见图6。如图6b)所示，在单轴压缩试验过程中，当轴向应力达到峰值强度点a(σ=47.43MPa,ε=6.60×10-3)时，充填物与砂岩本体的交界面出现“分离粘结”，同时孔洞左上侧萌生出一条翼型裂纹1，裂纹1沿轴向加载的方向向岩样上边界延伸，伴随着轴向应力显著跌落至37.41MPa；此后轴向应力继续上升，如图6c)所示，当加载至点b(σ=37.96MPa，ε=6.90×10-3)时，在岩样充填处右下方萌生了一条次生拉伸裂纹2，并且裂纹2迅速向岩样下边界延伸，这导致轴向应力—应变曲线产生一次应力跌落，轴向应力降至36.50MPa；如图6d)所示，继续加载，轴向应力继续增大，当加载至点c(σ=36.31MPa，ε=7.28×10-3)时，在充填孔洞处产生裂纹3；各条裂纹的扩展及延伸导致充填岩样发生失稳破坏。

从上述分析可知，填充含缺陷砂岩岩样中每一条裂纹的萌生或者每一次裂纹较大的扩展都对应着轴向应力—轴向应变曲线上一次应力跌落；与含孔洞岩样相比，充填试样第一条宏观裂纹基本都在充填物与岩样的交界面处萌生，随着充填物力学性能的增强，试样出现第一条宏观裂纹时对应的轴向应力及应变越大，这是因为在含缺陷岩样中加入的水泥砂浆充填物在一定程度上增强了岩样的抵抗外界破坏的能力。

4 结语

1)含缺陷砂岩岩样力学性能较完整岩样均出现不同程度的劣化，而且随着孔洞半径的增大，含孔洞砂岩试样的力学特征参数呈逐步减少的趋势。2)充填含缺陷砂岩试样的力学性能随着充填材料力学性能的增强呈增长的趋势；充填孔洞岩样的起裂应力及起裂应力水平也随着充填材料力学性能的增强而增大。3)与无充填试样相比，充填含缺陷砂岩岩样中加入的水泥砂浆充填物在一定程度上增强了充填岩样的抵抗外界破坏的能力；与无充填试样裂纹扩展过程相比，充填岩样的裂纹扩展过程更加复杂，这与充填物的类型有关。

[1] 高伟.岩石力学[M].北京:北京大学出版社,2010.

[2] 裴向军,黄润秋,李正兵.锦屏一级水电站左岸卸荷拉裂松弛岩体灌浆加固研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(2):284-288.

[3] 文海家,姜命强,陈云.三峡永久船闸F1096断层复合灌浆处理及效果检验[J].水力发电学报,2006,25(5):102-106.

[4] 杨圣奇,刘相如,李玉寿.单轴压缩下含孔洞裂隙砂岩力学特征试验分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(S2):3539-3546.

[5] 朱谭谭,靖洪文,苏海健.孔洞—裂隙组合缺陷砂岩力学特性试验研究[J].煤炭学报,2015,40(7):1018-1025.

[6] 杨圣奇,黄彦华.双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征试验与颗粒流模拟[J].应用基础与工程科学学报,2014,22(3):584-597.

[7] 黄彦华,杨圣奇.非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8):644-653.

[8] 尹干,靖洪文,苏海健.单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化[J].岩石力学与工程学报,2016,45(2):225-232.

[9] 杨仁树,王茂源,杨阳.充填材料对节理岩石动力学性能影响的模拟试验[J].振动与冲击,2016,5(12):125-131.

[10] 刘欣宇,刘爱华,李夕兵.充填柱状节理类岩石材料的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(4):772-777.

[11] 胡盛斌,邓建,彭建华.充填物对岩石疲劳裂纹萌生及扩展的影响研究[J].地下空间与工程学报,2005,1(6):914-920.

[12]YANGSQ.Crackcoalescencebehaviorofbrittlesandstonesamplescontainingtwocoplanarfissuresintheprocessofdeformationfailure.[J].EngineeringFractureMechanics,2011,78(17):3059-3081.

[13]JANEIRORP,EINSTEINHH.Experimentalstudyofthecrackingbehaviorofspecimenscontaininginclusions:underuniaxialcompression[J].InternationalJournalofFracture,2010,164(1):83-102.

Experimentalstudyonmechanicalpropertiesofholesandstonefilledmaterialunderuniaxialcompression★

ZhaoYanWangHailongZhanLiang

(DepartmentofCivilEngineering,HebeiUniversityofArchitecture,Zhangjiakou075000,China)

Through the single axis compression test, this paper researched the containing holes sandstone rock specimen and filled hole sandstone rock specimen, and from the crack extend angle, explained the variation law of mechanical properties test of filled defects sandstone, drew some meaningful conclusions, provided basis for the research on similar problems.

single axis compression test, filling sandstone, mechanical property, crack

1009-6825(2017)08-0049-03

2017-01-04★:河北建筑工程学院校级基金项目(XA201612)

赵岩(1991- ),男，在读硕士

TU452