随着煤炭资源开采逐渐向深部延伸,深部地下空间开挖和构筑等岩石工程日益增多^[1-3],因此需要针对深部岩体的力学特征、损伤特性和破坏机理开展深入研究。众所周知,在漫长的地质过程中,岩体内部出现大量裂隙缺陷^[4-6],导致由裂隙结构与基质岩块构成的裂隙岩体表现出明显的不连续性、各向异性和非均质等差异性特征^[7-10],尤其是在深部岩体中裂隙更加发育,分布更加广泛,差异性特征更加显著^[11-14]。同时天然岩体中裂隙缺陷破坏岩体完整性,弱化岩体强度和力学特性,容易导致岩体发生破坏^[15-17],因此开展含裂隙缺陷的岩石力学特性演化规律和破坏特征研究具有重要意义。

近年来,不少学者针对裂隙岩石进行了大量研究^[18]。汤双臣等^[19]通过完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩实验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律；王宇等^[20]开展了岩石增幅疲劳加载力学试验,揭示了疲劳加载频率对裂隙岩石破裂演化特征的影响规律；吴志军等^[21]采用磁共振技术对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流特性研究；杨亮等^[22]采用相场离散法,分析了含有不同岩桥倾角的预制裂隙的岩石在单轴压缩下的多裂纹扩展过程；李博等^[23]运用PFC数值软件开展了双裂隙岩石试样力学特征、破坏模式和微裂纹扩展研究；刘享华等^[24]利用3D打印和数字图像相关方法,研究了含孔双裂隙岩石的力学特性及破裂机制；李地元等^[25]在三维数字图像技术基础上,分析了含裂隙岩石变形破裂过程,研究了不同加载方式下含裂隙岩石的力学特性和破坏规律；刘鑫等^[26]对比了完整岩石试件和填充裂隙的岩石试件冲击特性,研究了围压水平、填充材料及填充厚度对应力波衰减的影响规律。

基于以上分析可以得出,研究者对三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙岩石的破坏力学行为演化规律并不深入,同时缺少对于不同充填条件下双裂隙岩石力学特性、破坏模式以及内部裂隙发育机理分析。因此,文章通过开展三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙红砂岩力学实验,系统分析不同岩桥长度、岩桥倾角及充填物类型对红砂岩试件特征应力的影响规律,研究充填双裂隙砂岩裂隙扩展贯穿模式,揭示不同充填方式对双裂隙砂岩试件力学特性和破坏模式差异的影响机理,给裂隙区域边坡稳定性分析、矿井巷道过断层区域安全评价以及构造带隧道安全施工提供依据。

1   实验部分

1.1   试件制备

本研究实验岩样均取自贵州省毕节市某隧道施工段,该区域内红砂岩赋存广泛,但区域内裂隙较为发育,岩石稳定性较差。所取岩样严格按照国际岩石力学学会规范要求^[27-29],加工成尺寸为Φ×L =50 mm×100 mm的标准试件,然后用直径1.0 mm钻头,在红砂岩标准试件双裂隙处钻出小孔,最后利用直径1.0 mm的电动金属绳锯穿过小孔,并缓慢将小孔切割为长度12 mm,宽度1.8 mm,倾角45°的预制裂隙,最终制成不同岩桥参数条件下预制双裂隙岩石试件。不同岩桥参数条件下双裂隙红砂岩试件制作流程如图1所示。

图  1  充填双裂隙砂岩试件制备：（a） 钻取试件；（b）标准试件；（c）试件打孔；（d）预制裂隙；（e）预制裂隙形态及参数

Figure  1.  Preparation diagram of filling prefabricated double fissure sandstone samples： （a） specimens drilling； （b） standard specimens； （c） drilling holes in specimens； （d） prefabricated fissures； （e） forms and parameters of prefabricated fissures

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根据文献[30]的方法对试件预制双裂隙内进行充填砂和泥。具体充填步骤：首先,采用胶带对一侧裂隙进行双层十字密封；然后,用与裂隙尺寸相匹配的铁制T形捣棍将充填物装入裂隙中,并捣实；其次,用薄钢片将裂隙处多余的充填物清理干净,保证试件表面光滑、平整；最后,对充填裂隙加入适量的水,若无气泡产生则确认裂隙充填严实。所有充填试件需养护3天,待充填物与试件充分接触后再进行实验。图2给出红砂岩和充填物的微观照片及矿物组分占比,其中充填砂粒径为0.003~0.006 mm,密度为1.33 g/cm³,充填泥采用水和黏土按照质量比1∶2.5配置。

图  2  红砂岩及充填物微观照片及矿物组分占比

Figure  2.  Microscopic photograph of red sandstone and filler and proportion of mineral components

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1.2   实验设计

为了研究三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙红砂岩破坏力学行为演化规律,设计充填砂、充填泥和不充填（对照组）3种充填方式的实验组,并且每个实验组裂隙参数设计5种。具体实验分组如表1所列。为了减小实验误差的影响,每组实验重复3次,取平均值进行研究。

表  1  实验分组

Table  1.  Experimental grouping

充填类型	试件编号	裂隙长度/mm	岩桥宽度/mm	裂隙倾角/（°）	岩桥长度/mm	岩桥倾角/（°）
不充填	U-10-15	12	1.8	45	10	15
	U-10-45	12	1.8	45	10	45
	U-10-75	12	1.8	45	10	75
	U-5-45	12	1.8	45	5	45
	U-15-45	12	1.8	45	15	45
砂充填	S-10-15	12	1.8	45	10	15
	S-10-45	12	1.8	45	10	45
	S-10-75	12	1.8	45	10	75
	S-5-45	12	1.8	45	5	45
	S-15-45	12	1.8	45	15	45
泥充填	M-10-15	12	1.8	45	10	15
	M-10-45	12	1.8	45	10	45
	M-10-75	12	1.8	45	10	75
	M-5-45	12	1.8	45	5	45
	M-15-45	12	1.8	45	15	45

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1.3   实验仪器

采用MTS-815岩石力学性能测试伺服系统对试件进行三轴压缩实验,该系统最大加载力为1 500 kN,最大加载围压为50 MPa,并实时记录轴向和径向加载应力。本实验过程中,在试件表面包裹轴线性可变差分传感器（LVDT）用以监测试件的轴向应变和径向应变。实验仪器及试件受载示意如图3所示。本设计实验围压为15 MPa。实验步骤：首先将试件放入实验平台,并施加0.5 kN轴向压力以固定试块；然后按照0.02 mm/s加载速率,将轴向应力及围压加载至设计围压值,并保持围压值不变；最后采用位移控制法,按照0.02 mm/s加载速率对试件施加轴向应力,直至试件破坏。

图  3  实验仪器及试件受力示意

Figure  3.  Schematic diagram of the force of experimental instruments and testing samples

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2   实验结果分析

2.1   应力-应变曲线分析

图4给出三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙砂岩应力-应变曲线。图4（a）所示为完整红砂岩试件三轴压缩条件下应力-应变曲线。可以看到红砂岩试件峰前曲线大部分呈现直线型,仅当外载荷临近峰值应力时,曲线斜率降低,表现出少量塑性特征,此外当外载荷达到试件峰值应力时,曲线出现断崖式下降,此时试件出现应力释放现象,表现出较为明显的脆性特征；图4（b）—图4（f）分别给出不同岩桥参数和充填条件下双裂隙试件应力-应变曲线。可以看到,双裂隙试件强度均小于完整试件,但充填泥、砂可以提高双裂隙试件承载强度,且采用砂充填效果更为明显。同时,相同充填条件下,当岩桥长度较小,而岩桥倾角较大时,双裂隙试件力学特征弱化程度越大。此外,由图4（b）可以看到,当b=10 mm,γ=15°时, 充填双裂隙试件受载曲线在峰后阶段出现2次应力波动,同时,当b=10 mm、γ=75°和b=5 mm、γ=45°时,充填双裂隙试件受载曲线在峰后阶段出现平直线屈服现象,以上2个现象说明在峰后阶段,充填双裂隙试件预制裂隙内的充填物能够提供有效支撑,且随着外载荷持续增加,裂隙在试件内继续扩展。

图  4  三轴压缩条件下砂岩试件应力-应变曲线：（a）完整岩样；（b）b=10 mm, γ=15°；（c）b=10 mm, γ=45°；（d）b=10 mm, γ=75°；（e）b=5 mm, γ=45°；（f）b=15 mm, γ=45°；

Figure  4.  Stress-strain curve of sandstone samples under triaxial compression: (a) intact rock specimens; (b) b=10 mm, γ=15°; (c) b=10 mm, γ=45°; (d) b=10 mm, γ=75°; (e) b=5 mm, γ=45°; (f) b=15 mm, γ=45°

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2.2   特征应力分析

脆性岩石峰前应力-应变曲线演化规律可以划分为4个阶段^[31],即原生裂隙闭合阶段、准弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙非稳定扩展阶段。同时以上阶段分别对应即裂纹闭合应力（${\sigma }_{\mathrm{b}}$）,裂纹起裂应力（${\sigma }_{\mathrm{q}}$）,扩展应力（${\sigma }_{\mathrm{k}}$）和峰值应力（${\sigma }_{\mathrm{f}}$）。

图5给出三轴压缩条件下充填双裂隙试件特征应力值。可以看出,相较于标准试件,充填双裂隙试件各特征应力均有所下降,其中未充填双裂隙试件力学特征弱化程度最为严重,其次为泥充填双裂隙试件,弱化程度最小的为砂充填双裂隙试件,同时在充填物类型相同情况下,充填双裂隙试件各特征应力随岩桥长度增加而增加,随岩桥倾角增加而减小。

图  5  三轴压缩条件下充填双裂隙试件特征应力演化特征：（a）闭合应力；（b）起裂应力；（c）扩展应力；（d）峰值应力

Figure  5.  Characteristics of stress evolution of filled double fissure specimens under triaxial compression： （a） closure stress； （b） initiation stress； （c） extension stress； （d） peak stress

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2.3   破坏模式分析

图6给出三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙砂岩破坏裂隙分类以及裂隙贯穿形式。可以看出,砂岩试件的破坏裂隙主要可以分为4种：剪切裂隙（SC）、双翼裂隙（WC）、分支裂隙（BC）和远场裂隙（FC）。裂隙贯穿主要有非贯穿裂隙（NC）、非直接贯穿裂隙（IC）和直接贯穿裂隙（DC）3种形式。

图  6  砂岩试件破坏裂隙分类及贯穿形式：（a）试件裂隙；（b）破坏裂隙类型；（c）裂隙贯穿形式

Figure  6.  Classification and penetration form of fracture failure of sandstone specimens： （a） specimen cracks； （b） classification of failure cracks； （c） fracture penetration form

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图7给出三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙砂岩破坏模型。具体分析如下：

图  7  砂岩试件破坏模式及裂隙扩展规律

Figure  7.  Failure mode and fracture propagation laws of sandstone specimens

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1）对于b=10 mm,γ=15°的双裂隙试件,当未充填时,在外载荷作用下双裂隙试件被两条双翼裂隙破坏成3个小块,其中一条主双翼裂隙几乎贯穿试件上下端部,同时可以看到,在裂隙的尖端部分产生了部分剪切双翼裂隙,此时的双裂隙未贯穿。当采用泥充填或砂充填裂隙时,双裂隙试件破坏产生的主双翼裂隙长度明显增加,同时双裂隙贯穿形式转变为非直接贯穿。此外,由于泥充填和砂充填的影响,使得双裂隙尖端应力集中现象减弱,导致应力扩展更为广泛,从而造成双裂隙试件的裂隙数量明显增加。

2）对于b=10 mm,γ=45°的双裂隙试件,当未充填时,明显的4条主裂隙造成双裂隙试件破坏,且双裂隙贯穿方式是非直接贯穿。当采用泥充填或砂充填裂隙时,双裂隙贯穿形式同样为非直接贯穿,但双裂隙间裂纹复杂程度明显强于未充填双裂隙试件,甚至裂纹在双裂隙间扩展时出现明显转向,这在砂充填双裂隙试件破坏时表现尤为明显。

3）对于b=10 mm,γ=75°的双裂隙试件,3种充填条件下双裂隙试件破坏主裂隙均贯穿试件上下两端,且主裂隙扩展的路径基本相同,同时双裂隙贯穿方式均为直接贯穿。因此,当岩桥长度10 mm,岩桥倾角为75°时,充填物类型对双裂隙试件破坏方式影响不大。

4）对于b=5 mm,γ=45°的双裂隙试件,在外载荷作用下未充填双裂隙试件生成3条主要破坏裂隙。双裂隙贯穿形式为非直接贯穿,表现为上预制裂隙的一条主裂隙扩展与下裂隙的扩展裂隙相交。而当采用泥充填裂隙时,双裂隙贯穿形式为直接贯穿,且双裂隙间裂纹复杂程度明显较未充填双裂隙试件更为复杂。但是当采用砂充填裂隙时,双裂隙贯穿形式为非直接贯穿,且边界裂隙较泥充填双裂隙试件更为复杂。

5）对于b=15 mm,γ=45°的双裂隙试件,外载荷作用导致未充填双裂隙试件产生4条主要裂隙而发生破坏,双裂隙贯穿形式为非直接贯穿。而当采用泥充填裂隙时,下裂隙端部出现了较短的剪切裂隙,且双裂隙贯穿形式为未贯穿。但采用砂充填裂隙时,双裂隙贯穿方式为非直接贯穿,此时双裂隙试件上裂隙中部出现一条剪切裂隙,这是因为采用砂充填裂隙,减少了裂隙尖端的应力集中。

综上所述,相较于未充填双裂隙试件,不同岩桥参数条件下充填物类型对双裂隙试件破坏裂隙形式影响明显,且在相同充填物类型条件下,随着岩桥长度增加,岩桥倾角减小,双裂隙试件预制裂隙贯穿类型逐渐由直接贯穿向非直接贯穿转化,说明增加岩桥长度,同时减小岩桥倾角能够降低预制裂隙之间岩石的滑移,进而提高试件的力学性能。

相较于砂充填类型的试件,泥充填物类型试件破坏模式与未充填双裂隙试件破坏模式更为相似。此外由于充填物的存在,双裂隙试件产生的贯穿试件上下端部的破坏主裂隙数量明显减少,而分支裂隙数量增多,这是充填双裂隙试件承载机制与未充填双裂隙试件承载机制有所不同,即当未充填时,双裂隙试件承载能力主要取决于试件内部剪切面产生滑移的最小内聚力值,而采用泥充填或砂充填时,双裂隙试件内充填物能够有效地抑制试件内部剪切滑移,提高试件整体承载能力。

3   讨论

3.1   岩石内部裂隙扩展特性

为了研究不同岩桥参数条件下充填物类型对双裂隙试件内部裂隙扩展特性影响,采用X射线CT扫描技术分别对破裂后的双裂隙试件进行扫描。砂岩试件扫描切片位置布置如图8 所示。图9 给出不同岩桥参数条件下充填物类型对双裂隙试件内部裂隙扩展特性,其中灰色或黑色区域表示为试件内部裂隙。可以看到,不同岩桥参数条件下,采用泥充填物类型和砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙扩展特性存在明显不同。在相同岩桥长度条件下,随着岩桥倾角增加,泥充填物类型和砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙密度均减小,同时双裂隙试件内部裂隙贯穿形式由非直接贯穿转化为直接贯穿,且两翼裂隙复杂程度明显减弱。在相同岩桥倾角条件下,随着岩桥长度增加,泥充填物类型和砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙密度均增加,同时双裂隙试件内部裂隙贯穿形式由直接贯穿转化为非直接贯穿,且两翼裂隙复杂程度明显增加。此外,相同岩桥参数条件下,泥充填物类型的双裂隙试件内部裂隙密度小于砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙密度,且相同切片高度条件下,泥充填物类型的双裂隙试件内部裂隙更偏向于试件边界,而砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙更偏向于试件中心。其中当b=10 mm、γ=45°和b=15 mm、γ=45°时,砂充填物类型的双裂隙试件内部裂隙贯穿试件上下表面,而泥充填物类型的双裂隙试件内部裂隙未贯穿试件上下表面。

图  8  砂岩试件CT扫描切片位置

Figure  8.  Location of CT scan section of sandstone specimens

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图  9  砂岩试件内部裂隙扩展演化特征

Figure  9.  Characteristics of internal fracture propagation and evolution in sandstone specimens

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3.2   微观结构分析

为了从微观角度研究三轴压缩条件下充填双裂隙砂岩破坏特征,将受载破坏后的充填双裂隙试件进行切割,观测裂隙内的充填物特征。图10给出三轴压缩条件下不同充填物类型双裂隙试件充填层间微观结构。可以看到,在三轴压缩条件下,采用泥充填的双裂隙试件中泥充填层受压变得紧致,并与红砂岩试件的砂岩层明显分层,其中分层间裂隙最大宽度达到50 μm。此外,当采用砂充填时,由于砂充填层内晶体颗粒的存在,使得充填双裂隙试件承载能力强于泥充填双裂隙试件承载强度,因此其受载破坏程度更小,且砂充填层内晶体颗粒受载发生断裂破坏,出现层内裂隙现象。

图  10  双裂隙试件充填层间细观结构：（a） 泥充填上预制裂隙；（b） 砂充填上预制裂隙；（c） 泥充填下预制裂隙； （d）砂充填下预制裂隙

Figure  10.  Interlayer microstructure of double-cracked specimens： （a） upper prefabricated fissure with mud filled； （b） upper prefabricated fissure with sand filled； （c） lower prefabricated fissure with mud filled； （d） lower prefabricated fissure with sand filled

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4   结 论

文章通过开展三轴压缩不同岩桥参数和充填物类型的双裂隙红砂岩试件实验,系统分析了不同岩桥长度、岩桥倾角以及充填物类型对双裂隙试件特征应力影响规律,研究了充填双裂隙试件裂隙扩展贯穿模式,揭示了泥和砂充填物类型对双裂隙试件力学特性和破坏模式差异的影响机理。得出如下结论：

1）预制双裂隙削弱了完整砂岩试件力学特性,但通过对裂隙进行充填能够提高双裂隙试件的力学性能,且采用砂充填方式比泥充填方式达到的增幅更大。此外,在充填物相同条件下,双裂隙砂岩试件力学特征随岩桥长度增加而增加,随岩桥倾角增加而减小。

2）与砂充填双裂隙试件破坏模式相比较,泥充填双裂隙试件破坏模式与未充填双裂隙试件破坏模式更为接近。且充填物能够抑制未充填双裂隙试件产生的剪切滑移,同时增加岩桥长度和减小岩桥倾角能够降低预制双裂隙之间产生直接贯穿裂隙的可能性,提高试件整体承载能力。

3）相同充填物类型情况下,双裂隙试件内部最大裂隙密度随岩桥长度增加而增加,随岩桥倾角增加而减小。同时对预制裂隙进行充填能够增加试件内部最大裂隙密度,且裂隙分布更向岩石中心集中。岩石试件内部最大裂隙密度及裂隙分布集中区域,能够在一定程度上反映岩石的力学特征。

4）外载荷导致充填物压缩,并与试件原生岩石产生分层现象,砂充填层内晶体颗粒的存在能够提供一定的支撑作用,减小充填层与原生岩石之间的分层程度,进而提高岩石的力学性能,而泥充填层所提供的支撑效果明显较弱。