卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律.pdf

第52卷第11期 2 0 2 0年11月 哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vo l . 52 H *o v . 2020 DON10.11918/201905117 卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律 王本鑫V,金爱兵V,赵怡晴12，王贺B，刘佳伟12，魏余栋12，孙浩12 1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京科技大学，北京100083； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083； 3.北京矿冶科技集团有限公司，北京102628 摘要摘要为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律，对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸 围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线；采用CT扫描三维重构技术获得岩 石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表0相对于常规三轴压缩试验，试件在卸荷条件下脆性破坏特征更 加显著，分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性，降低破坏轴压和破坏剧烈程度；两种卸围压方案都会使花 岗岩的承载能力降低30左右；卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状，拉剪过渡不明显，表观裂隙是内部裂隙向外扩展 的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少，大量裂隙在峰后产生，破裂具有突发性和瞬时性，围压较低时宏观裂隙 首先在试件边缘产生，围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生. 关键词关键词岩石力学；卸围压；裂隙演化；CT扫描；三维重构 中图分类号中图分类号TU45 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号0367 -6234202011 -0137 -10 S trength characteristics and 3 D fracture evolution law of granite under unloading confiiing pressure WANG Ben x in1,2, JIN Aibin g1，2, ZHAO Yiq in g1，2, WANG He3, LIN Jia w ei1，2, WEI Yu d o n g1，2, SUN Ha o1，2 1. Key La bo r a t o r y o f Ef f ic ien t Min in g a n d SPet y o f Met a l Min e“ Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y Beijin g , Min ist r y o f Ed u c a t io n, Beijin g 100083, Ch in a； 2. Sc h o o l o f Civ il a n d Reso u r c es En g in eer in g,Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y Beijin g, Beijin g 100083, Ch in a； 3. Beijin g Gen er a l Resea r c h In st it u t e o f Min in g a n d Met a l l u r g y Tec h n o l o g y Gr o u p, Beijin g 102628, Ch in a Abstraci To st u d y t h e st r en g t h c h a o c OOst ic s a n d 3D f r a c t u r e ev o l u t io n l a w o f g r a n it e u n d eo u n l o a d in g c o n f in in g pr essu r e, 3 d n f er en t st r ess pa t h s t est s in c l u d in g c o n v en t io n a l t u a x ia l c o mpr essio n, u n l o a d in g c o n f in in g pr essu r e l o a d in g a x ia l pr essu r e, a n d g r a d ed u n l o a d in g c o n f in in g pr essu r e-l o a d in g a x ii pr essu r e c y c l ic l o a d in g a n d u n l o a d in g w er e c o r r ied o u t o n g r a n it e, a n d c o r r espo n d in g a x ii a n d r a d ia o st r ess-st r a in c u a es w er e o bt a in ed . Men w h il e, 3D r ec o n st mc t io n t ec h n iq u e o f CT sc o n n in g w a s u sed t。o bt a in 3D ima g es o f t h e d ist r ibu t io n o f f r a c t u r e d u a n g a n d a f t ee r o c k u n l o a d in g c o n f in in g possuo pr o c ess. Resu l t s sh o w t h a t 1 Co mpa r ed w it h t h e c o n o n t io n l t r ia x ia t c o mpeesio n t est, t h ebe itef a iu eec h a ea c t eeis t ic s o f spec imen su n d eeu n o a d in g c o n f in in g peesu eew eeemo ee o bv io u s, a n d g r a d ed u n l o a d in g c o n f in in g pr essu r e-l o a d in g 4x01 pr essu r e c y c l ic l o a d in g a n d u n l o a d in g t ess c o u l d en o a eg eWh epo sWpea k d u o io iy o f Wh eg ea n ie, a sw eoa seed u o eWh ea iia o o o mpeesio n o f in s a bio iy a n d Wh ef ieeo eo f f a i ou ee. 2 BoWh u n o o a d in g o o n f in in g peesu eeso h emeseed u o ed Whe bea eing oa pa oi c o f Whe g ea ni e b c a bo u W30. 3 Th e ma c r o -f r a c t u r e o f t h e g r a n Ve u n d er l o a d in g w a s a c o mbin a t io n o f t en sio n a n d sh eer, a n d t h e t r a n sit io n bet w een t en sio n a n d sh er w a s n o t o bv io u s. Th e a ppa r en t f r a c t u r e w a s t h e r esu l t o f t h e o u t w a r d ex pa n sio n o f t ee in eo X f o c t u o . 4 Th e a mo u n t o f c r a c ks o f t h e g r a n it e g en er a t ed bSbr e t h e pea k u n d er u n l o a d in g w a s sma H, w h io e a l a r g e n u mber o f c r a c ks w er e g en er a t ed a f t er t h e pea k, a n d t h e f r a c t u r e w a s su d d en a n d t r a n sien t . Wh en t ee c o n f in in g pr essu r e w a s l o w, t h e ma c r o sc o pic c r a c ks w er e f ir st l y g en er a t ed a t t ee ed g e o f t h e sa mpl e, a n d w h en t ee o o n f in in g peesu eew a sh ig h, t h ema o eo so o pio o ea o ksw eeef iest o c g en eea t ed in t h emid d o eo f t h esa mpo e. Keywords r o c k mec h a n ic t; u n l o a d in g c o n f in in g pr essu r e； f r a c t u r e ev o l u t io n； CT sc o n n in g； 3D o c o n st o c t io n 露天矿边坡开挖、地下矿山巷道、交通隧道、地 下w室等岩体工程掘进本质上属于卸荷行为，许多 收稿日期收稿日期2019 -05 -22 基金项目基金项目国家自然科学基金51674015 ；煤炭开采水资源保护与 利用国家重点实验室2017年开放基金SHJT-1742.1 作者简介作者简介王本鑫1991,男，博士研究生 通信作者通信作者赵怡晴,y iq in g z h a o 126. c m 工程实例表明，与岩体石加载行为相比，两者之 间存在很大差异,将加载岩体力学研究成果不做区 地用 开挖 岩体工程, 带来潜在危险，严重的会造成事故灾难［1］.因此，对 下岩体 学 研究 重 . 目前,越来越多学者［2-6］将目光从加载岩石力 138 哈尔滨工业大学学报第52卷 学 岩 学的研究上从岩 本构模 、 、 等 究 下岩 学 吴刚等7 学 ，获 下 岩体 程 本 100 50 0 轴向应变/ 300 250 200 150 100 50 0 a o5 MPa 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 轴向应变/ b ci310 MPa 400 300 200 100 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 轴向应变/ c j315 MPa 轴向应变/ d ct20 MPa 图3相同初始围压不同加载路径下花岗岩轴向应力-应变对比 Fa . 3 Co mpa r iso n o f a x ia l st r ess-st r a in c u r v es o f /r a n it e u n d ee t h e sa me in it ia l c o n f in in / pr essu r e a n d d f er en r l o a d in / pa t h s a j35 MPa E d w / Z 毎 E d w / Z 毎 方案1 十方案2 径向应变/ b ct310 MPa c o15 MPa d y 20 MPa 图4相同初始围压不同加载路径下花岗岩轴向应 力-径向应变对比 Fig . 4 Co mpa r iso n o f a x ia l st r ess-r a d ia l st r a in c u r v et o f /r a n it e u n d ea t h e sa me in it ia l c o n f in in / pr essu r e a n d d iCeen t o o a d a n ipa r h s 2.2两种卸围压试验试件破坏时强度分析两种卸围压试验试件破坏时强度分析 种 验中， 出剧烈 响应, 即 -应变曲线最后一次 跌落时视 如图3 ，将最后一次 跌落 定义 ,点 定 ，最后 一次 跌落 定 残余 ，破 142 -哈尔滨工业大学学报第52卷 和残余 间的曲线为最后一次 跌落阶段. 2为两种 验试件 压、 残余 可以看出，5 10 MPx 初始 下，方案2和3 已 毕.5 MPx初始 下方案3三级卸 荷过程中 降为0,10 MPx [ 下，方案3四 级 过程中 降为0.相同初始 下试 案2均大于方案3 ,说 案3卸 下 岩 全 更易发生最终破裂. 表2两种卸荷试验试件破坏时的破坏围压、破坏轴压 和残余轴压 Ta b. 2 In st a bil it y c o n f n in g pr essu r e, u n st a bo c a x id c o mpr essio n, a n d o sid u x l c o mpr essio n o f t eo u n l o a d in g t est spec imen s d u r in g f a il u r e MPx 编号破坏围压破坏轴压残余 C-10151.751.59 C-2072.3319.20 C-33219.2447.80 C-43.75207.9949.76 D-1-4042.1020.35 D-2-4068.842.83 D-3-42.3127.3233.02 D-4-43111.3447.42 3花岗岩裂隙演化及破坏特征CT扫 描三维重构分 究 过程中 岩石内部裂隙 的产生、扩展、演 布规律，采用To sh iba Aq u il io n CX螺旋CT扫描 案2 ffl 案3每级 验 进行CT扫描，电 压 120 kV,电流 250 〜300 mA,分辨率 0.35 mm e 0. 35 mm x 0. 3 mm.根据CT扫描 成像原理， 实体部 与裂隙部分,在CT 上 】 值大于 ，采用阈值 法在空间 上 立裂隙 ，在 基础上，采用三维 重 法利用阈值 重 内部裂隙的 三维 ，三维裂隙 重建步骤（24一25巧 5. 3・ ・1方案方案2裂隙演化及破坏特征分析裂隙演化及破坏特征分析 案2设计 小时（如5,10 MPx）, 裂后内部裂隙 ，细小 裂隙将试件 成破碎 ， 裂 糙，相邻宏观破裂面 间有细小裂隙连接，由于 低， 岩 随 增加体积膨 大，细小裂隙充 发育，但宏观破裂以细小 裂隙贯通 剪切 破坏为主（图6 （ b ）、（ c））,分别与表观宏观剪切破 裂 （图6（c）、（f））.表观宏观裂隙延 内部 交 易 ，破碎 在 内部 状 碎体形式存在，破裂 ，即 最大 . 随设计 增大，细小 裂隙整体减少，宏 观破裂 间 贯通微小裂隙也逐渐减少;试件 的破裂形式由两个相交 裂 成，裂隙面相 于小 平滑;表观裂隙（ 6 （i）、（ l） ）内延 裂隙 曲面状，平直 状 ，这与高 、 下 脆性破坏 有关，高 下 岩 瞬时承 提 高，但在 用下生成的细小裂隙会在很短 间内扩展延伸贯通 ，形成使 裂面， 次 用的细小裂隙在脆 「坏 过程中 生成 小， ， 大 岩 交 裂面状破裂模式， 出 小 碎体状破裂模式;宏观 裂隙和剪切裂隙 可 易 ，裂隙面呈拉剪组合状,拉剪过 （6 （h）、（ k ））；与 观裂隙 发现,内 部裂隙边缘可以与外部裂隙很好对接（图6 （j）、 （k））,证 CT扫描三维重 内部裂隙真实可靠, 观 裂隙内部有 剪切裂隙，所 ,基本不能通过表观裂隙 断内部裂隙的分 布情况. 阈值分割 CT扫描 CT灰度图像裂隙蒙板CT扫描仪 三维重构. 裂隙三维图像 图5三维裂隙图像重建步骤 Fig . 5 3D f r a c t u r e ima /c r ec o n st r u c t io n st eps 第11期王本鑫，等卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律 143 f C-2表观裂隙 k C-4内部裂隙①C-4h C-3内部裂隙 i C-3表观裂隙 图6方案2试件破坏后内部裂隙CT扫描三维重构图像和表观裂隙图像对比 g C-3 1 C-4表观裂隙 Fia . 6 Co mpa r iso n o f 3D r ec o n st r u c t io n ima /es o f in t er n a l f r a c t u r e CT sc a n n in / a n d a ppa r en t f r a c t u r e ima /es a f t ee f a il u r e in sc h eme 2 3.2方案方案3裂隙演化及破坏特征分析裂隙演化及破坏特征分析 案3 同级 CT扫描 三维重 图7 发试件在峰前阶段产 生 微小裂隙，宏观裂隙 展和贯通发生在 峰后阶段,破裂具有突发 瞬 峰 ，轴向负荷加载至图2b中/点时细 小裂隙产生 图7 a、/、m、 s ；向 至图2b中G点 内部细小裂隙开 始增 布没有规律图7b、h、n、t 轴向负荷加载至图2b中J点时， 内部开 始出 宏观裂隙图7 c 、 i、 o、 u, 初始 小时宏观 裂隙 在 边缘 最大 产生图7 c 、 i,这是由 产生 成的,与地下工程邻近开挖 低 岩易冒落 ，由 可确定 地下岩体工程开挖 岩冒落 ， 初始 大时宏观剪切裂隙 在 中部产生 7 u ，这是由于随 计 增大第3级 轴向加载结束时对应的围压增大，卸荷比12减小, 宏观剪切裂隙不易在 边缘产生,与地下工程距 开挖 岩的初始裂隙产生方式 ,在各 同作用下产生的剪切裂隙. 轴向负荷下降到图2b中J点以下时,试件很 短时间内 承 ，破裂具有突发性，宏观裂隙 瞬间形成.由破裂 维裂隙 可以看出，在 级卸围压-加轴压循环加卸载条件下，宏观剪切破 裂图7 d、j、p、O是使 岩 承 裂模式，由于 脆 ，破裂 平滑； 小时，表观 裂隙图7 f 内延伸与宏观剪切裂隙面图7 e交接,使 更 碎； 高， 裂模式也 裂 合状， 承 次要 用 裂隙 有所减少， 7p、 e和 7v、x ,内部宏观剪切裂隙 延伸在 观 裂隙 式 , 7j、 l ，给研究 通过表观裂隙 裂模式 一定 下试件的破裂模式受初始围压大小的 影响 ，初始 小、微裂隙 ，内部 越 破碎，初始 大、微裂隙 ，内部 小时，表观 裂隙多是内部主剪切破裂面 延伸； 高 观裂隙多是主破 裂面的向外延伸，次要裂隙较少. 144 -哈尔滨工业大学学报第52卷 a D-l -lb D-1-2 g D-2-1 m D-3-1 h D-2-2 n D-3-2 c D-1-3d D-1-4 i D-2-3j D-2-4 o D-3-3 切 裂 隙 张拉製障 e D-1-4内部裂隙表观裂隙 k D-2-4内部裂隙 ⑴D-2表观裂隙 p D-3-4 q D-3-4内部裂隙r D-3表观裂隙 剪M 裂殳 w D-4-4内部裂隙x D-4表观裂隙s D-4-1t D-4-2u D-4-3v D-4-4 图7方案3不同级别加卸载后试件内部裂隙CT扫描三维重构图像和表观裂隙图像对比 Fig . 7 Co mpa r iso n o f 3D r ec o n st r u c t io n ima g es o f in t er n a O f r a c t u r e CT sc a n n in g a n d a ppa r en i f r a c t u r e ic a g es a f t ea l o a d in g a n d u n l o a d in g a i d mer en i l ev el s in sc h eme 3 4结论 1 下，随 升高，试 峰 跌落速率 大， 响 烈； 下 脆 下更 ,同初始 下， 一 级卸围压破坏响应更加剧烈，分级卸围压循环加卸 峰后脆 有所减弱，降低 剧烈 程度 2相同初始围压条件下，卸围压-加轴压和分 级 峰值 于 平均减小了 31 30.4， 使岩石 第11期王本鑫，等卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律-145 - 的承载能力降低很多. 3 岩石的宏观破裂呈拉剪组合状，拉剪过渡不 明显.卸围压条件下，围压较小时，花岗岩破坏后内 部细小张拉裂隙发育，三维破裂模式呈破碎体状,内 部主剪切破裂面的分支向外延伸成表观张拉裂隙； 围压较大时,内部细小张拉裂隙较少,三维破裂模式 呈不规则相交破裂面状，主破裂面向外延伸成表观 张拉或剪切裂隙. 4 花岗岩在卸围压过程中峰前产生的裂隙量 很少，以内部晶体黏结破裂为主，大量裂隙的产生、 贯通多发生在峰后阶段，试件的破裂具有突发性和 瞬时性.设计围压较小时，试件侧壁边缘首先产生宏 观张拉裂隙;设计围压较大时,试件中部首先产生宏 观剪切裂隙. 参考文献 [1] 哈秋舲加载岩体力学与卸荷岩体力学J].岩土工程学报， 1998, 201 114 HA Qiu img . Lo a d in g a n d u n l o a d in e r o c k ma sses mec h a n ic s [ J ]. Ch in es s Jo u o a i o f Geo t ec h n ic a l En ein e eg n e, 1998，201 114 [2] GAO Fen g, ZHOU Kepin g, LUO Xia n w ei，et a / EEec t o f in d u c t io n u n l o a d in g o n w ea ke n in g c f r o c k mec h a n ic s pr o peOic s [ J ]. Tr a n sa c t io n s c f t h e No n f er r o u s Met a is So c iet y c f Ch in a， 2012， 22 2 419. DOI 10.1016/s1003 -63261161193 -x [3] 雷涛，周科平，胡建华，等卸荷岩体力学参数劣化规律的细观 损伤分析[J] 中南大学学报自然科学版，2013，441 275 LEI Tx c，ZHOU Kepin g，HU Jia n h u x，et a L Mec h a n ic s pa r a met er s d et eo o r a /o n l a w s c f u n l o a d in g r o c k ma ss by mess-d a ma x c mec h a n ic s [J]. 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