潘燕秋 羅許林 王國(guó)柱

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,鄭州 451150;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

0 前 言

我國(guó)西南地區(qū)有眾多的河川,蘊(yùn)藏著豐富的水資源。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展增加了對(duì)能源的需求,西南地區(qū)正在建設(shè)許多大型水電項(xiàng)目。[1-2]在隧道挖掘過(guò)程中,地質(zhì)條件復(fù)雜,力學(xué)性質(zhì)多變,地應(yīng)力條件復(fù)雜。具體而言,圍巖的力學(xué)性質(zhì)對(duì)隧道開(kāi)挖和安全運(yùn)行具有重大影響。受地質(zhì)構(gòu)造的影響,天然巖體內(nèi)部存在不同數(shù)量、形狀和分布的孔洞。[3-6]除了這些孔洞缺陷外,巖體中還常包含不同的充填物,如天然巖石中的孔洞通常由黏土、砂、碎石等充填,在施工過(guò)程中,為滿足工程建設(shè)的需求,常采用不同強(qiáng)度的材料(如水泥砂漿、混凝土和其他注漿材料)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固,以提高工程的安全性和穩(wěn)定性。[7-8]由于不同強(qiáng)度充填物的存在,含充填物巖石材料的破裂過(guò)程十分復(fù)雜,破壞趨勢(shì)難以預(yù)測(cè),破壞機(jī)制仍未完全揭示。因此,研究缺陷(孔洞和充填物)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)和破裂行為的影響具有重要的工程意義。

已有不少學(xué)者對(duì)未充填缺陷的巖石開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)研究。這些研究主要集中在缺陷類型、數(shù)量和幾何位置對(duì)巖石試樣破壞的影響。文獻(xiàn)[9-11]介紹了對(duì)含單裂隙或單孔洞巖石試樣力學(xué)性能和裂紋萌生、擴(kuò)展和破裂特征的試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)：不同幾何形狀的缺陷對(duì)巖石的力學(xué)性能弱化程度不同,并發(fā)現(xiàn)了兩種裂紋模式——翼裂紋和二次裂紋。文獻(xiàn)[12-14]介紹了對(duì)含有兩個(gè)不同幾何關(guān)系預(yù)制缺陷試樣進(jìn)行的裂紋萌生、擴(kuò)展和聚集模式的研究,發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)缺陷幾何位置的不同,將導(dǎo)致不同的開(kāi)裂、擴(kuò)展和聚集行為。文獻(xiàn)[15-16]介紹了對(duì)具有三個(gè)或更多缺陷的巖石試樣的試驗(yàn),研究具有多個(gè)缺陷巖石試樣的力學(xué)特性和破壞過(guò)程。

盡管人們對(duì)未充填孔洞巖石試樣力學(xué)性質(zhì)和破裂行為方面作了大量的研究,為巖石工程的安全運(yùn)行作出了巨大貢獻(xiàn),但充填物的存在改變了含孔洞巖體的應(yīng)力狀態(tài),使其破裂行為與未充填孔洞巖體顯著不同。目前,對(duì)充填孔洞巖體的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于未充填孔洞巖石。一些學(xué)者設(shè)計(jì)了含充填物的孔洞巖石試樣,并對(duì)其進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)研究。如文獻(xiàn)[17-18]報(bào)道了充填物對(duì)孔洞巖石強(qiáng)度和破裂特征影響的研究,發(fā)現(xiàn)充填物對(duì)缺陷巖石的力學(xué)性質(zhì)具有強(qiáng)化作用,對(duì)裂紋擴(kuò)展行為也具有一定的影響。文獻(xiàn)[19-20]介紹了通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)不同填充情況下類巖石試樣力學(xué)性質(zhì)和開(kāi)裂行為的研究,發(fā)現(xiàn)試樣力學(xué)性質(zhì)和開(kāi)裂行為與充填物強(qiáng)度有關(guān)。

盡管已對(duì)含孔洞和充填物巖石進(jìn)行了不少研究,但大多數(shù)研究集中在單缺陷巖體上,特別是在充填情況下。在自然狀態(tài)下,巖體大多含有不同數(shù)量、形狀和分布的孔洞,并且在自然和人為作用下,孔洞被不同強(qiáng)度的充填物所充填(圖1a)。充填被認(rèn)為可減少現(xiàn)有缺陷附近的應(yīng)力集中,因而在減少裂紋擴(kuò)展中起著關(guān)鍵作用。[19-20]然而,由于缺乏對(duì)充填物影響的充分關(guān)注,限制了對(duì)巖石力學(xué)的進(jìn)一步了解。在自然條件下,巖體中存在難以勝數(shù)的缺陷(孔洞和充填物)。在外力作用下,缺陷之間相互干擾。然而,最簡(jiǎn)單和最基本的情況仍然是兩個(gè)缺陷之間的相互作用(圖1b)。此外,雙缺陷是研究更多缺陷的基礎(chǔ),其力學(xué)機(jī)制、裂紋擴(kuò)展規(guī)律和強(qiáng)度準(zhǔn)則也是后續(xù)研究的基礎(chǔ)和重要準(zhǔn)備。因此,基于已成功用于研究巖石漸進(jìn)破壞的數(shù)值軟件PFC2D,對(duì)不同充填雙孔洞對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)和破壞特性的影響進(jìn)行模擬,同時(shí)開(kāi)展參數(shù)研究,包括孔洞傾角和充填物強(qiáng)度參數(shù)。

1 微觀參數(shù)標(biāo)定及數(shù)值模型建立

離散元方法假設(shè)顆粒是剛性球體或圓盤(pán),并且可以重疊和分離。根據(jù)指定的力-位移定律,兩個(gè)顆粒間的接觸力由顆粒的重疊和相對(duì)運(yùn)動(dòng)確定。離散元允許顆粒在接觸處黏結(jié)在一起,并在外力作用下分離。其提供了兩種常用的接觸模型,即線性接觸模型和平行黏結(jié)模型,研究采用平行黏結(jié)模型來(lái)模擬顆粒之間的接觸。[21]通過(guò)調(diào)整平行黏結(jié)模型的微觀參數(shù),PFC可以模擬巖石類材料的各種力學(xué)行為。當(dāng)外部荷載超過(guò)黏結(jié)強(qiáng)度時(shí),顆粒之間的黏結(jié)鍵會(huì)斷裂,顆粒之間會(huì)產(chǎn)生微裂紋,隨著微裂紋的聚集形成宏觀裂紋。

1.1 微觀參數(shù)標(biāo)定

正確選擇顆粒和黏結(jié)的微觀參數(shù)是模型建立的重要步驟。為了生成模擬真實(shí)巖石的數(shù)值模型,根據(jù)Wu等的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型[22]的微觀參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)所用試樣的幾何尺寸,建立了寬度為100 mm、高度為150 mm的完整巖石試樣。利用反向校準(zhǔn)對(duì)顆粒和黏結(jié)的微觀參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。這涉及一個(gè)迭代過(guò)程,以選擇微觀參數(shù)來(lái)重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中測(cè)量的宏觀特性。根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量校準(zhǔn)微觀參數(shù)。表1列出了經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)值模型微觀參數(shù)。

表1 數(shù)值模型微觀參數(shù)Table 1 Microscopic parameters of the numerical model

數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖2所示?？芍和暾嚇邮覂?nèi)試驗(yàn)測(cè)得的峰值強(qiáng)度為101.34 MPa,而數(shù)值模擬得到的峰值強(qiáng)度為108.05 MPa,兩者僅相差6.62%;室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的彈性模量為19.1 GPa,而數(shù)值模擬得到的彈性模量為19.04 GPa,兩者僅相差0.31%,并且數(shù)值模擬結(jié)果的破壞模式近似于室內(nèi)試驗(yàn)。完整試樣聲發(fā)射信號(hào)在初始?jí)嚎s階段基本保持安靜,進(jìn)入彈性階段開(kāi)始活躍,最大聲發(fā)射(AE)計(jì)數(shù)出現(xiàn)在峰值應(yīng)力附近,數(shù)值模擬所得AE計(jì)數(shù)特征在峰值附近與室內(nèi)試驗(yàn)相似,在一定程度上反映了巖石變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征。因此,所選微觀參數(shù)較準(zhǔn)確地反映了真實(shí)巖石試樣的力學(xué)性能、破壞特征和聲發(fā)射特征,為后續(xù)分析和討論提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。由于含缺陷模型沒(méi)有改變巖石的微觀參數(shù)和黏結(jié)模型,因此,在完整模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)顆粒分組和顆粒刪除可以模擬不同缺陷巖石試樣。[21]

a—試驗(yàn)結(jié)果;b—模擬結(jié)果。圖2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparisons between simulation and test results

1.2 數(shù)值模型建立

在生成完整試樣后,通過(guò)顆粒分組創(chuàng)建了兩個(gè)面積相等的充填物。為研究充填物形心連線與水平夾角對(duì)含兩個(gè)圓形充填物巖石試樣的強(qiáng)度、變形和破裂特征的影響,建立了如圖3所示的數(shù)值模型。圓形充填物半徑R=7.5 mm,兩圓形充填物幾何形心連線長(zhǎng)度2a=40 mm,形心連線與水平方向的夾角β在0°～90°的范圍內(nèi)以15°間隔變化。為考慮充填物強(qiáng)度的影響,保持充填物半徑R和幾何形心連線長(zhǎng)度2a不變。

圖3 數(shù)值模型及幾何尺寸 mmFig.3 A numerical model and geometric dimensions

如Chang等所述[19],自然和人為作用下可以發(fā)現(xiàn)具有不同強(qiáng)度的充填材料。為進(jìn)一步研究充填材料對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響,定義與充填強(qiáng)度相關(guān)的充填系數(shù)如式(1)：

(1)

式中：fi為充填物強(qiáng)度,fi=0表示孔洞巖石,fi=1表示完整巖石;fm為基體巖石強(qiáng)度。

在自然條件下充填物強(qiáng)度基本上都小于基體巖石強(qiáng)度,在人為作用下,如注漿加固,雖然有注漿材料強(qiáng)度大于基體巖石強(qiáng)度的情況,如付玉凱等在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的注漿加固試驗(yàn)[23],然而這種情況非常有限,不具有普適性。因此,取λ=0.0(雙圓孔)、0.3、0.6、0.9和1.0(完整)五種情況分析充填物強(qiáng)度變化的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度和變形特征

圖4顯示了β=45°不同充填強(qiáng)度情況下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、圖5顯示不同傾角下峰值強(qiáng)度σp、峰值應(yīng)變?chǔ)舙和彈性模量E的變化規(guī)律?？梢?jiàn)：所有試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本一致,λ=0、β=45°試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰后階段具有明顯的應(yīng)力波動(dòng),隨著充填物強(qiáng)度的提高,峰后階段的應(yīng)力波動(dòng)明顯減小;表明：圓孔減弱了試樣的脆性特征,然而,隨著充填物強(qiáng)度的提高,試樣的脆性特征更加明顯。

圖4 不同試樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Axial stress-strain curves of different specimens

a—峰值強(qiáng)度;b—峰值應(yīng)變;c—彈性模量。圖5 不同充填物強(qiáng)度和傾角對(duì)應(yīng)的試件力學(xué)性能Fig.5 The mechanical characteristics of specimens with different filling strengths and inclinations

每個(gè)試樣的峰值強(qiáng)度如圖5所示,可見(jiàn)：充物物的強(qiáng)度和傾角對(duì)試樣的強(qiáng)度影響很大。與充填系數(shù)λ=0.0試樣相比,λ=0.3時(shí),0°～90°傾角試樣的強(qiáng)度分別提高了21.93%、15.95%、27.55%、27.59%、42.89%、12.94%和11.22%。λ=0.6時(shí),0°～90°傾角試樣的強(qiáng)度分別提高了36.44%、32.72%、36.32%、46.71%、59.93%、22.16%和20.08%。λ=0.9時(shí),0°～90°傾角試樣的強(qiáng)度分別提高了37.41%、38.32%、45.01%、55.25%、66.73%、26.03%和20.77%。充填系數(shù)λ=0.3,0.6,0.9時(shí)試樣的平均增長(zhǎng)率分別為22.87%、36.34%和41.36%。由此可以觀察到：隨著充填物強(qiáng)度的提高,充填作用對(duì)巖石強(qiáng)度的提高作用減弱。所以,在實(shí)際工程中應(yīng)選擇適當(dāng)強(qiáng)度的注漿材料對(duì)巖體進(jìn)行注漿加固,注漿材料強(qiáng)度過(guò)低時(shí),加固效果不理想,注漿材料強(qiáng)度過(guò)高時(shí),會(huì)產(chǎn)生不必要的浪費(fèi),并且也未必帶來(lái)更好的加固效果。

由圖6可以看出：當(dāng)充填系數(shù)超過(guò)0.6時(shí),試樣強(qiáng)度幾乎保持不變,因此,充填系數(shù)λ=0.6時(shí)的加固效果最佳,加固后巖石的峰值強(qiáng)度接近于完整巖石試樣。此外,由圖5a可見(jiàn)：λ=0試樣的峰值強(qiáng)度隨著傾角的增大而顯著變化,峰值強(qiáng)度最大試樣(β=90°)比峰值強(qiáng)度最小試樣(β=60°)增加了23.76 MPa,隨著充填物強(qiáng)度的提高,差值分別減小為10.06,5.20,3.70 MPa。因此,充填物的存在減弱了缺陷傾角對(duì)試樣強(qiáng)度的影響。

圖6 不同充填系數(shù)下試樣強(qiáng)度Fig.6 Peak strengths of specimens with different filling factors

如圖5b所示：充填物對(duì)試樣的峰值應(yīng)變有一定的影響。與峰值強(qiáng)度相比,峰值應(yīng)變表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),λ=0試樣的峰值應(yīng)變?cè)趦A角β=60°時(shí)最小,在β=90°最大。當(dāng)λ=0.3時(shí),峰值應(yīng)變的變化趨勢(shì)與峰值強(qiáng)度一樣,均呈“W”形變化。并且隨著充填物強(qiáng)度的提高減弱了缺陷傾角對(duì)試樣變形的影響。

如圖5c所示：充填物對(duì)試樣的彈性模量有一定的影響。與峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變一樣,隨著充填物強(qiáng)度的提高,試樣彈性模量增大,并且減弱了缺陷傾角的影響。當(dāng)λ=0.9時(shí),不同傾角充填雙圓孔試樣的彈性模量與完整試樣幾乎一致。

2.2 破壞模式

為研究不同強(qiáng)度充填物對(duì)試樣破壞模式的影響,圖7比較了充填不同強(qiáng)度充填物試樣的最終破壞模式。巖石中的宏觀裂紋類型主要是通過(guò)裂紋方向來(lái)確定的,其中擴(kuò)展路徑平行于加載方向且表面光滑干凈的裂紋被視為拉伸裂紋,而相對(duì)于加載方向傾斜擴(kuò)展并形成可見(jiàn)剪切帶的裂紋被視為剪切裂紋。不同強(qiáng)度充填物試樣的破壞模式可分為兩類,拉伸剪切混合破壞和剪切破壞,對(duì)于充填系數(shù)λ=0.0,0.3的試樣,由于孔洞頂部和底部的拉應(yīng)力集中,使得孔洞頂部和底部產(chǎn)生不同程度拉伸破壞。然而,隨著充填物強(qiáng)度的提高,孔洞頂部和底部的拉應(yīng)力集中減弱,幾乎不再產(chǎn)生拉伸破壞,試樣表現(xiàn)出宏觀剪切破壞模式。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,缺陷(孔洞和充填物)之間的裂紋聚集模式分為三種：1)未聚集;2)剪切聚集;3)拉伸剪切混合聚集。如圖7a所示：充填系數(shù)λ=0.0時(shí),試樣傾角為0°、30°、45°和60°時(shí)為剪切聚集,傾角為15°時(shí)為未聚集;傾角75°和90°時(shí)為拉伸剪切混合聚集。如圖7b所示：當(dāng)λ=0.3時(shí)僅有傾角為60°、90°時(shí)出現(xiàn)拉伸和剪切混合聚集,其他傾角情況下的試樣全部為未聚集。如圖7c、圖7d所示：當(dāng)λ=0.6,0.9時(shí),全部?jī)A角試樣表現(xiàn)為未聚集形式,這也說(shuō)明了當(dāng)充填系數(shù)λ=0.6時(shí),可很好地阻止缺陷之間的相互作用,加固效果更好。可見(jiàn),充填物在一定程度減弱了缺陷傾角對(duì)試樣破壞模式的影響,特別是充填物強(qiáng)度接近基體強(qiáng)度時(shí)。

文獻(xiàn)[22]介紹的試驗(yàn)表明：孔洞側(cè)壁和試樣表面開(kāi)裂導(dǎo)致了巖石碎片剝落。在數(shù)值模擬中,出現(xiàn)了一些顆粒或者顆粒集合體脫離試樣。此外,還發(fā)現(xiàn)充填可以有效抑制孔洞側(cè)壁的剝落?？傊?所有試樣的最終破壞模式不僅受充填物強(qiáng)度的影響,還受傾角的影響。

微裂紋數(shù)量可反映巖石的破壞程度。雖然不同試樣的宏觀破壞主要是由拉伸微裂紋和剪切微裂紋引起的,但是破壞程度不同。峰后50%峰值應(yīng)力水平下試樣的微裂紋總數(shù)、拉伸微裂紋數(shù)和剪切微裂紋數(shù)如圖8所示。由圖8a可以看出：λ=1.0時(shí)試樣的微裂紋總數(shù)遠(yuǎn)大于λ=0.0時(shí)試樣的微裂紋總數(shù)。隨著充填物強(qiáng)度的提高,微裂紋總數(shù)呈增大趨勢(shì),當(dāng)λ=0.9時(shí),微裂紋總數(shù)大于λ=1.0時(shí),并且受傾角的影響變小,從微觀層面揭示了隨著充填物強(qiáng)度的提高,缺陷傾角對(duì)巖石試樣強(qiáng)度和變形參數(shù)影響減弱的原因。如圖8b、圖8c所示：拉伸微裂紋和剪切微裂紋的變化趨勢(shì)與微裂紋總數(shù)的變化趨勢(shì)幾乎一致,然而,拉伸微裂紋數(shù)遠(yuǎn)高于剪切微裂紋數(shù),表明試樣在單軸壓縮作用主要經(jīng)歷拉伸破壞。

a—微裂紋總數(shù);b—拉伸微裂紋;c—剪切微裂紋。圖8 不同試樣微裂紋數(shù)量Fig.8 Numbers of microcracks in different specimens

2.3 破裂過(guò)程分析

由于PFC2D中的顆粒大小大致相同(在同一數(shù)量級(jí)),每個(gè)黏結(jié)鍵斷裂釋放的能量大致相同。如果在PFC2D中將每個(gè)黏結(jié)鍵斷裂視為一個(gè)聲發(fā)射(AE)事件,則與實(shí)際情況不符。因此,研究中,將在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)發(fā)生的斷裂視為同一聲發(fā)射事件。如果聲發(fā)射事件僅由一個(gè)微裂紋組成,則事件質(zhì)心為黏結(jié)鍵的位置,如果聲發(fā)射事件由多個(gè)微裂紋組成,則微裂紋的幾何形心作為聲發(fā)射事件的質(zhì)心。[24]研究中把每個(gè)微裂紋視為一個(gè)AE計(jì)數(shù),每個(gè)AE事件具有不同的AE計(jì)數(shù),如圖9所示,包含最多微裂紋的AE事件具有151個(gè)AE計(jì)數(shù),最少為1個(gè)AE計(jì)數(shù)。聲發(fā)射作為一種可靠、應(yīng)用廣泛且成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在巖石材料破裂過(guò)程監(jiān)測(cè)中受到廣泛關(guān)注,因此,采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)λ=0.0、β=45°和λ=0.9、β=45°兩個(gè)試樣的破壞過(guò)程進(jìn)行分析。

圖9 雙孔洞試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AE曲線(λ=0、β=45°)Fig.9 A stress-strain curve and AE curve of specimens with double cavities(λ=0,β= 45°)

圖9顯示λ=0、β=45°試樣加載過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AE特征。相應(yīng)的定位如圖10所示。

圖10 圖9中點(diǎn)a至點(diǎn)e對(duì)應(yīng)的AE定位Fig.10 AE locations corresponding to point a to point e in Fig.9

在a點(diǎn)(ε=0.00 389、σ=67.22 MPa)之前聲發(fā)射特征不明顯,AE事件主要分布在孔洞周圍(圖10a)。然而,由于孔洞頂部和底部拉應(yīng)力集中,在孔洞頂部和底部出現(xiàn)AE事件聚集形成宏觀拉伸裂紋,此后,左孔洞上端拉伸裂紋停止擴(kuò)展,下端拉伸裂紋繼續(xù)向加載端擴(kuò)展,右孔洞下端拉伸裂紋停止擴(kuò)展,上端拉伸裂紋繼續(xù)向加載端擴(kuò)展。當(dāng)施加的荷載達(dá)到b點(diǎn)(ε=0.00 415、σ=62.66 MPa)時(shí),進(jìn)入峰后階段,左孔洞下端和右孔洞上端拉伸裂紋擴(kuò)展至加載端端部,兩圓孔之間的聲發(fā)射不斷聚集形成一條宏觀剪切裂紋(圖10b)。此時(shí),試樣其他部位AE事件隨機(jī)分布,并在右孔洞右上端出現(xiàn)聲發(fā)射聚集。由于b點(diǎn)之前的應(yīng)力降,導(dǎo)致AE計(jì)數(shù)快速增加,累計(jì)AE計(jì)數(shù)曲線斜率出現(xiàn)突變。當(dāng)ε=0.00 421、σ= 52.52 MPa(點(diǎn)c)時(shí),又經(jīng)歷一次應(yīng)力降,右孔洞右上端裂紋與其上端的拉伸裂紋聚集,隨機(jī)分布AE事件進(jìn)一步增加(圖10c)。當(dāng)峰后荷載降低至d點(diǎn)(ε=0.00 443、σ= 44.21 MPa),右孔洞右上端的拉伸剪切混合裂紋出現(xiàn)兩條幾乎平行的次生裂紋,左孔洞左下端出現(xiàn)一條遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋(圖10d)。當(dāng)應(yīng)力降低至e點(diǎn)(ε=0.00 448、σ= 34.36 MPa),AE計(jì)數(shù)瞬間增加,試樣最終形成宏觀拉伸剪切混合破壞(圖10e)。

圖11顯示充填雙孔洞試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AE曲線(λ=0.9、β=45°)。相應(yīng)的定位如圖12所示。該過(guò)程與雙孔洞試樣相似,在此不在贅述,只討論兩者的差別。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：充填雙孔洞試樣的AE計(jì)數(shù)主要分布在峰后階段,且破壞時(shí)間很短,具有很強(qiáng)的脆性。由此也可以證明,孔洞的存在減弱巖石的脆性,然而充填之后其脆性增大,失穩(wěn)破壞變的更加劇烈。對(duì)于AE定位圖,在峰值應(yīng)力之前,主要是隨機(jī)分布AE事件,峰值應(yīng)力后,AE事件迅速聚集并導(dǎo)致試樣貫通破壞。由此也可以看出,充填物的存在使得峰值應(yīng)力之前試樣內(nèi)部應(yīng)力分布相對(duì)均勻,沒(méi)有大的應(yīng)力集中點(diǎn)致使試樣產(chǎn)生局部破壞,這也是充填物提高孔洞巖石的強(qiáng)度、改善變形和脆性性能的微觀原因。

圖11 充填雙孔洞試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AE曲線(λ=0.9、β=45°)Fig.11 A stress-strain curve and AE curve of specimens with filled double cavities(λ= 0.9,β= 45°)

3 結(jié)束語(yǔ)

1)孔洞的存在減弱了巖石的脆性特征,充填作用可以提高孔洞巖石的脆性特征,并且隨著充填物強(qiáng)度的提高,脆性特征更加明顯。不同強(qiáng)度充填物對(duì)不同傾角雙圓孔試樣的強(qiáng)度和變形特征具有不同的提高作用,隨著充填物強(qiáng)度的提高,提高作用減弱,缺陷傾角對(duì)巖石強(qiáng)度和變形特征的影響減弱。

2)充填系數(shù)λ=0.6時(shí),充填加固效果最優(yōu),主要表現(xiàn)在其強(qiáng)度和變形參數(shù)接近完整巖石,當(dāng)充填系數(shù)大于0.6時(shí),試樣強(qiáng)度幾乎保持不變,并且λ為0.6時(shí)所有傾角試樣均未出現(xiàn)孔洞之間的裂紋聚集,即有效減弱了缺陷之間的相互影響。

3)不同傾角下不同充填強(qiáng)度試樣的整體破壞分為拉伸剪切混合破壞和剪切破壞,拉伸剪切混合破壞主要出現(xiàn)在充填系數(shù)λ為0.0、0.3時(shí)的試樣中,隨著充填強(qiáng)度的提高,孔洞缺陷周圍的應(yīng)力集中減弱,拉伸破壞減少。缺陷之間的裂紋聚集模式可分為未聚集、剪切聚集和拉伸剪切混合聚集,其中,當(dāng)λ為0.6、0.9時(shí),不同傾角試樣均為未聚集模式。

4)聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和定位圖可以很好地表征巖石的破壞過(guò)程,并且通過(guò)聲發(fā)射特征可以分辨巖石脆性破壞程度。