工程科学学报，第40卷，第7期：776-782,2018年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.7:776-782,July 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002;http://journals.ustb.edu.cn 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 左江江12)，李臣林2)四，腾俊洋12)，张闯12) 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室.重庆4000442)重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044 ☒通信作者，E-mail:lichen3.213@163.com 摘要为研究充填物对含孔洞岩石的力学特性及变形破坏特征的影响规律，室内预制加工了含孔洞及石膏充填物大理岩， 分别对其进行单轴压缩和声发射试验，并对破坏前后试件进行CT扫描，分析其裂纹扩展规律.试验结果表明：(1)相比于含 孔洞大理岩，石膏充填使试件的抗压强度提高了10.62%.二者峰前特征相似，均表现为孔周裂纹起裂引起第一次应力跌落现 象，峰后特征则有所不同，石膏充填使大理岩变形的局部化特征更为明显.(2)峰后阶段，含孔洞试件声发射特征显著，裂纹扩 展迅速，石膏充填试件稍慢，表明石膏充填遏制了试件的裂纹扩展.(3)含孔洞和石膏充填大理岩的破坏模型有所区别，含孔 洞试件破坏裂纹较为单一，主裂纹以张拉破坏为主，翼裂纹在试件端部较多，部分从侧面贯通，形成块体掉落.充填条件下孔 洞周边的裂纹更细更分散，小裂纹相互贯通，形成“X”状剪切破坏 关键词裂隙充填：单孔洞：大理岩：声发射：裂纹扩展：CT扫描 分类号TU458.3 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes ZUO Jiang-jiang2),LI Chen-lin),TENG Jun-yang2),ZHANG Chuang'2) 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)College of Resources and Environmental Sciences,Chongqing University,Chongqing 400044,China Corresponding author,E-mail:lichen3213@163.com ABSTRACT As a natural material,stone can suffer from initial damage (such as bedding and microfracture)during the diagenetic stage and rock defects (such as joints and faults)are formed after diagenesis.Under the influence of these defects,the properties of rock strength,deformation,and failure will also change.Studying the mechanical characteristics of defective rock can truly reflect the actual situation in the field.For the original hole fissures,actual rock engineering often contains fillings that decrease the stress con- centration of the surrounding area of the hole;according to the type of filling,the filling can withstand the corresponding pressure. Thus,it is necessary to study the influence of the filling on the mechanical properties of porous rock damage.To study the influence of the filling material on the mechanical properties and the deformation and failure characteristics of the hole-bearing rock with each specimen containing one hole),hole-bearing marble with each specimen containing one hole),and plaster filling,the appropriate specimens were prefabricated in an indoor environment.The law of crack propagation of the specimens was analyzed based on the re- sults of the uniaxial compression and acoustic emission tests and the results of CT scanning of the specimens before and after failure. The results are given as follows:(1)In comparison with hole-bearing marble,the peak stress of the marble specimen with the filled hole increases by 10.62%.Before the peak stress of the specimens,the pre-peak features are similar,and both specimens exhibit a stress reduction phenomenon;however,the post-peak characteristics are different,and the characteristics of partial deformation are more obvious.(2)After the peak stress phase,the acoustic emission features of the perforating hole in each hole-bearing specimen are 收稿日期：2017-08-09 基金项目：煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室自主课题重点项目(2011DA105287-ZD201504)
工程科学学报,第 40 卷,第 7 期:776鄄鄄782,2018 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 7: 776鄄鄄782, July 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 07. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 左江江1,2) , 李臣林1,2) 苣 , 腾俊洋1,2) , 张 闯1,2) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室, 重庆 400044 2) 重庆大学资源及环境科学学院, 重庆 400044 苣通信作者, E鄄mail: lichen3213@ 163. com 摘 要 为研究充填物对含孔洞岩石的力学特性及变形破坏特征的影响规律,室内预制加工了含孔洞及石膏充填物大理岩, 分别对其进行单轴压缩和声发射试验,并对破坏前后试件进行 CT 扫描,分析其裂纹扩展规律. 试验结果表明:(1)相比于含 孔洞大理岩,石膏充填使试件的抗压强度提高了 10郾 62% . 二者峰前特征相似,均表现为孔周裂纹起裂引起第一次应力跌落现 象,峰后特征则有所不同,石膏充填使大理岩变形的局部化特征更为明显. (2)峰后阶段,含孔洞试件声发射特征显著,裂纹扩 展迅速,石膏充填试件稍慢,表明石膏充填遏制了试件的裂纹扩展. (3)含孔洞和石膏充填大理岩的破坏模型有所区别,含孔 洞试件破坏裂纹较为单一,主裂纹以张拉破坏为主,翼裂纹在试件端部较多,部分从侧面贯通,形成块体掉落. 充填条件下孔 洞周边的裂纹更细更分散,小裂纹相互贯通,形成“X冶状剪切破坏. 关键词 裂隙充填; 单孔洞; 大理岩; 声发射; 裂纹扩展; CT 扫描 分类号 TU458郾 3 收稿日期: 2017鄄鄄08鄄鄄09 基金项目: 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室自主课题重点项目(2011DA105287鄄鄄ZD201504) Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes ZUO Jiang鄄jiang 1,2) , LI Chen鄄lin 1,2) 苣 , TENG Jun鄄yang 1,2) , ZHANG Chuang 1,2) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044,China 2) College of Resources and Environmental Sciences, Chongqing University, Chongqing 400044, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: lichen3213@ 163. com ABSTRACT As a natural material, stone can suffer from initial damage (such as bedding and microfracture) during the diagenetic stage and rock defects (such as joints and faults) are formed after diagenesis. Under the influence of these defects, the properties of rock strength, deformation, and failure will also change. Studying the mechanical characteristics of defective rock can truly reflect the actual situation in the field. For the original hole fissures, actual rock engineering often contains fillings that decrease the stress con鄄 centration of the surrounding area of the hole; according to the type of filling, the filling can withstand the corresponding pressure. Thus, it is necessary to study the influence of the filling on the mechanical properties of porous rock damage. To study the influence of the filling material on the mechanical properties and the deformation and failure characteristics of the hole鄄bearing rock ( with each specimen containing one hole), hole鄄bearing marble (with each specimen containing one hole), and plaster filling, the appropriate specimens were prefabricated in an indoor environment. The law of crack propagation of the specimens was analyzed based on the re鄄 sults of the uniaxial compression and acoustic emission tests and the results of CT scanning of the specimens before and after failure. The results are given as follows: (1) In comparison with hole鄄bearing marble, the peak stress of the marble specimen with the filled hole increases by 10郾 62% . Before the peak stress of the specimens, the pre鄄peak features are similar, and both specimens exhibit a stress reduction phenomenon; however, the post鄄peak characteristics are different, and the characteristics of partial deformation are more obvious. (2) After the peak stress phase, the acoustic emission features of the perforating hole in each hole鄄bearing specimen are
左江江等：充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 ·777· more remarkable,and the crack propagation is more rapid than those of the gypsum-filled specimens,indicating the gypsum filling stems the crack expansion of the specimens.(3)A difference is found between the destruction model of the marble specimen with a hole and that of the marble specimen with the hole filled with gypsum.Each crack is relatively single for the specimen of marble with a hole,and main cracks exhibit tensile damage;moreover,wing cracks are more developed in the end,and some of those cracks propa- gate toward both sides,resulting in a block falling off.However,cracks around the hole are thinner and more dispersed,forming"X" shear damage because of the mutual crossing of the cracks. KEY WORDS fracture filling;single hole;marble;acoustic emission;crack propagation;CT scan 岩石作为一种天然的材料，在成岩阶段会形成 情况. 层理、微裂隙等初始损伤，其成岩后在地质构造运 岩体中裂隙的存在，给了黏土和碎石充填的空 动、水力作用等的影响下，也会形成节理、断层等岩 间，研究裂隙在充填条件下的受力特征，是对含裂隙 体缺陷[].此外，人工开挖过程中，不同开挖方法 岩石试件研究的补充.赵永红[]对割缝后的大理 也会造成岩体不同程度的损伤及裂纹扩展[4)].在 岩进行水泥砂浆充填，用扫描电镜显微照片分析了 这些缺陷的影响下，岩石的强度、变形破坏等性质也 裂隙生长过程与未充填条件下的差异，并解释了试 会发生改变，研究含缺陷岩石的力学特征，才能真实 件的受载能力得到改善的原因：张波等1]用相似材 地反映实际情况，贴近现场工程 料模拟脆性岩石在裂隙充填条件下，对岩体强度峰 岩石内部发育着大量的裂隙，但要对含裂隙的 值和塑性变形能力的影响因素进行了研究，并用断 天然岩石材料取样较为困难，试件难以成形，裂隙分 裂力学分析了裂纹强度因子，以数值模拟方式说明 布也不均匀，不具代表性.为系统地研究裂隙对岩 了充填对裂纹扩展改善的原因. 石性质的影响，研究者们通过对岩石试件进行预制 对于预制裂纹影响下试件力学特征的研究较 裂隙或孔洞的方式展开了研究.杨圣奇等以单轴 多，而实际岩体工程中原始裂隙和孔洞中往往都含 压缩试验强度曲线和声发射分布曲线，分析了不同 有充填物，充填物的存在会使孔洞周边应力集中程 孔洞直径砂岩试件以及在孔洞裂隙组合的方式下， 度降低，并且根据充填物的类型不同，充填物能够承 裂隙分布对称情况对试件的力学特性和声发射特性 受相应的压力，因此有必要研究充填物对含孔损伤 的影响，并描述了含缺陷砂岩的裂纹扩展与宏观变 岩石的力学特性的影响.基于以上文献的研究成 形过程：杨圣奇等2-)以预制断续裂隙和预制单孔 果，对含孔洞及孔洞充填条件下大理岩单轴压缩试 洞大理岩作为试验对象，分别研究裂隙参数和品体 验的力学特征和声发射特征进行了对比分析，并以 颗粒大小对大理岩的力学特征、破坏模式和裂纹的 CT扫描技术来研究两组试件破坏后，内部裂纹的发 细观破坏过程的影响：李地元等6)用花岗岩试件加 育情况的差异.通过本文，可了解充填物对含孔洞 工制备含双侧预制方形孔的板状试样，展开了单轴 缺陷岩石力学特征的作用，给现场工作一些启发，具 压缩条件下试件的应力、应变和声发射特征的研究， 有一定的实际意义. 并解释了加载过程中裂纹发展及孔洞周边的块体弹 1试验慨况 射和片帮现象，最后辅以数值模拟进行对比验证，反 映出试件拉伸破坏的性质：刘招伟与李元海]采用 本文选择的岩石材料为黑色斑点纹理大理岩， 数字散斑相关量测方法(DSCM)和岩土工程数字照 取自某高速公路项目采石场，其结构致密，抗压强度 相量测软件系统PhotoInfor作为后处理系统，对单轴 高，主要矿物成分为石灰石、方解石、白云石等，其晶 试验条件下，含孔洞岩石试件在外载增加过程中，四 粒均匀，表面加工后比较光滑.在进行含孔洞试验 个阶段的位移、应力的变化趋势及特征进行量测及 前，以单轴压缩试验得到完整大理岩试件力学参数， 分析，解释了局部化变形的特点.根据裂纹及孔洞 其平均峰值强度为132.40MPa. 的不同组合方式，相关研究8-还有很多，研究手 大理岩试件制作流程如下：立方体试件(50mm× 段[1-161也比较多样，Tang等13-用自主研发的岩 50mm×100mm)→试件中心处打孔（孔直径12 石裂纹模拟软件(RFPA)对岩石试件裂纹扩展及破 mm)→充填孔洞（充填材料为石膏）. 坏行为与机制进行了研究：Zao1以扫描电镜实时 加工时，严格控制两端平整度在±0.2mm以 观测大理岩裂纹扩展过程；Wang等1o采用全息摄 内，试件沿同一方向取样，以减少离散性.先别除视 影与云纹法来记录单轴压缩过程中大理岩位移变化 觉上差别较大的少数岩样，再采用岩石声波仪测试
左江江等: 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 more remarkable, and the crack propagation is more rapid than those of the gypsum鄄filled specimens, indicating the gypsum filling stems the crack expansion of the specimens. (3) A difference is found between the destruction model of the marble specimen with a hole and that of the marble specimen with the hole filled with gypsum. Each crack is relatively single for the specimen of marble with a hole, and main cracks exhibit tensile damage; moreover, wing cracks are more developed in the end, and some of those cracks propa鄄 gate toward both sides, resulting in a block falling off. However, cracks around the hole are thinner and more dispersed, forming “X冶 shear damage because of the mutual crossing of the cracks. KEY WORDS fracture filling; single hole; marble; acoustic emission; crack propagation; CT scan 岩石作为一种天然的材料,在成岩阶段会形成 层理、微裂隙等初始损伤,其成岩后在地质构造运 动、水力作用等的影响下,也会形成节理、断层等岩 体缺陷[1鄄鄄3] . 此外,人工开挖过程中,不同开挖方法 也会造成岩体不同程度的损伤及裂纹扩展[4鄄鄄5] . 在 这些缺陷的影响下,岩石的强度、变形破坏等性质也 会发生改变,研究含缺陷岩石的力学特征,才能真实 地反映实际情况,贴近现场工程. 岩石内部发育着大量的裂隙,但要对含裂隙的 天然岩石材料取样较为困难,试件难以成形,裂隙分 布也不均匀,不具代表性. 为系统地研究裂隙对岩 石性质的影响,研究者们通过对岩石试件进行预制 裂隙或孔洞的方式展开了研究. 杨圣奇等[1]以单轴 压缩试验强度曲线和声发射分布曲线,分析了不同 孔洞直径砂岩试件以及在孔洞裂隙组合的方式下, 裂隙分布对称情况对试件的力学特性和声发射特性 的影响,并描述了含缺陷砂岩的裂纹扩展与宏观变 形过程;杨圣奇等[2鄄鄄3] 以预制断续裂隙和预制单孔 洞大理岩作为试验对象,分别研究裂隙参数和晶体 颗粒大小对大理岩的力学特征、破坏模式和裂纹的 细观破坏过程的影响;李地元等[6] 用花岗岩试件加 工制备含双侧预制方形孔的板状试样,展开了单轴 压缩条件下试件的应力、应变和声发射特征的研究, 并解释了加载过程中裂纹发展及孔洞周边的块体弹 射和片帮现象,最后辅以数值模拟进行对比验证,反 映出试件拉伸破坏的性质;刘招伟与李元海[7] 采用 数字散斑相关量测方法(DSCM)和岩土工程数字照 相量测软件系统 PhotoInfor 作为后处理系统,对单轴 试验条件下,含孔洞岩石试件在外载增加过程中,四 个阶段的位移、应力的变化趋势及特征进行量测及 分析,解释了局部化变形的特点. 根据裂纹及孔洞 的不同组合方式,相关研究[8鄄鄄12] 还有很多,研究手 段[13鄄鄄16]也比较多样,Tang 等[13鄄鄄14] 用自主研发的岩 石裂纹模拟软件(RFPA)对岩石试件裂纹扩展及破 坏行为与机制进行了研究;Zhao [15] 以扫描电镜实时 观测大理岩裂纹扩展过程;Wang 等[16] 采用全息摄 影与云纹法来记录单轴压缩过程中大理岩位移变化 情况. 岩体中裂隙的存在,给了黏土和碎石充填的空 间,研究裂隙在充填条件下的受力特征,是对含裂隙 岩石试件研究的补充. 赵永红[17] 对割缝后的大理 岩进行水泥砂浆充填,用扫描电镜显微照片分析了 裂隙生长过程与未充填条件下的差异,并解释了试 件的受载能力得到改善的原因;张波等[18] 用相似材 料模拟脆性岩石在裂隙充填条件下,对岩体强度峰 值和塑性变形能力的影响因素进行了研究,并用断 裂力学分析了裂纹强度因子,以数值模拟方式说明 了充填对裂纹扩展改善的原因. 对于预制裂纹影响下试件力学特征的研究较 多,而实际岩体工程中原始裂隙和孔洞中往往都含 有充填物,充填物的存在会使孔洞周边应力集中程 度降低,并且根据充填物的类型不同,充填物能够承 受相应的压力,因此有必要研究充填物对含孔损伤 岩石的力学特性的影响. 基于以上文献的研究成 果,对含孔洞及孔洞充填条件下大理岩单轴压缩试 验的力学特征和声发射特征进行了对比分析,并以 CT 扫描技术来研究两组试件破坏后,内部裂纹的发 育情况的差异. 通过本文,可了解充填物对含孔洞 缺陷岩石力学特征的作用,给现场工作一些启发,具 有一定的实际意义. 1 试验概况 本文选择的岩石材料为黑色斑点纹理大理岩, 取自某高速公路项目采石场,其结构致密,抗压强度 高,主要矿物成分为石灰石、方解石、白云石等,其晶 粒均匀,表面加工后比较光滑. 在进行含孔洞试验 前,以单轴压缩试验得到完整大理岩试件力学参数, 其平均峰值强度为 132郾 40 MPa. 大理岩试件制作流程如下:立方体试件(50 mm 伊 50 mm 伊 100 mm) 寅试件中心处打孔(孔直径 准12 mm)寅充填孔洞(充填材料为石膏). 加工时,严格控制两端平整度在 依 0郾 2 mm 以 内,试件沿同一方向取样,以减少离散性. 先剔除视 觉上差别较大的少数岩样,再采用岩石声波仪测试 ·777·
·778· 工程科学学报，第40卷，第7期 各个岩样的纵波速度，筛选出波速相近的试件.试 120 验前后利用德国西门子SOMATOM Scope型X射线 100 —2-2 螺旋CT机进行扫描分析，其空间分辨率为0.35mm× -S2-3 0.35mm,密度对比率0.3%，扫描层厚0.75mm,可 0 用于检测试件内部裂隙发育及分布情况.在对试件 60 进行充填时，为使石膏尽快凝固发挥整体受力特性， 严格控制其稠度和密实性，由于CT扫描费用昂 40 贵，本试验每组选择2个均质性较好的试件进行 试验 本文采用MTS815试验系统，仪器如图1(a)所 0 0.2 0.40.60.81.0 1.2 示，该系统可以进行单轴及三轴压缩试验，试验过程 轴向应变，% 采用位移控制的加载方式，加载速率0.1mm· 图2含孔洞大理岩单轴压缩试验应力-应变曲线 minl.配套的声发射系统，利用声发射探头可以直 Fig.2 Uniaxial compression stress-strain curve of the hole-bearing specimens 接监测试验过程中的声发射现象，一致性较好. S2-2 S2 图1试验仪器.(a)MTS815:(b)CT机 Fig.1 Experimental apparatus:(a)MTS815 test system;(b)CT ma- chine 图3含孔洞大理岩试件破坏模式 Fig.3 Broken mode of the hole-bearing specimens 2含孔洞大理岩强度与力学特征 0.76%.峰后变形局部化阶段特征不明显，表现为应 2.1含孔洞大理岩力学特征 力阶梯状减少，试件两侧裂纹发育程度较快.屈服破坏 大理岩是一种典型的脆性岩石，但在预制孔洞 阶段则表现出脆性破坏的特征，应力急剧下降 或裂隙的条件下，其峰后特性却有所不同].图2 S2-3试件的应力-应变曲线裂隙压密阶段特征 是含孔洞大理岩单轴试验的应力-应变曲线，图3 也比较明显，但经历的压密时间比S2-2更长，完成 是试件破坏后裂纹扩展情况.从图2中可以看出， 压密的轴向应力基本一致，该阶段的轴向应变却差 含孔洞大理岩单轴试验曲线可以分为四个阶段：裂 异很大，接近一倍.随后，应力和应变基本呈线性增 隙压密阶段、弹性阶段、变形局部化阶段)以及屈 加，峰值前也出现明显的裂纹起裂特征，孔洞周围产 服破坏阶段 生裂隙，峰值应力112.10MPa,对应的峰值应变为 S2-2试件应力-应变曲线开始有明显的下凹趋 0.97%.在变形局部化阶段，在小幅度应力降低后， 势，表现出大理岩内部存在的裂隙缺陷被压实.随 表现出第一个特征点，应力大小为109.14MPa,孔 着外部荷载的增加，试件表现出弹性变形的特征，应 洞周围产生新裂隙，在短时间又降低到106.82 力与应变呈线性增加.应力为85.34MPa时，出现 MPa.随着应变的增加，应力有所上升，基本保持在 了第一次应力下降，下降幅度很小，为2.66MPa,引 3MPa以内，局部化变形特征明显，裂隙开始大量扩 起该现象的原因是孔周边易应力集中，试件内部应 展，比S2-2裂纹更多更复杂，屈服出现平台状特 力达到裂纹起裂应力)，孔洞周围产生了一条裂 征，岩样沿着孔周边逐步屈服[四.屈服破坏阶段试 纹，随后新产生的裂纹导致第二次应力下降.最终， 件突然失稳破坏 应力达到峰值102.84MPa,对应的峰值应变为 通过分析，两个试件应力-应变曲线存在相似
工程科学学报,第 40 卷,第 7 期 各个岩样的纵波速度,筛选出波速相近的试件. 试 验前后利用德国西门子 SOMATOM Scope 型 X 射线 螺旋 CT 机进行扫描分析,其空间分辨率为 0郾 35 mm 伊 0郾 35 mm,密度对比率 0郾 3% ,扫描层厚 0郾 75 mm,可 用于检测试件内部裂隙发育及分布情况. 在对试件 进行充填时,为使石膏尽快凝固发挥整体受力特性, 严格控制其稠度和密实性,由于 CT 扫描费用昂 贵,本试验每组选择 2 个均质性较好的试件进行 试验. 本文采用 MTS815 试验系统,仪器如图 1(a)所 示,该系统可以进行单轴及三轴压缩试验,试验过程 采用 位 移 控 制 的 加 载 方 式, 加 载 速 率 0郾 1 mm· min - 1 . 配套的声发射系统,利用声发射探头可以直 接监测试验过程中的声发射现象,一致性较好. 图 1 试验仪器. (a)MTS815;(b)CT 机 Fig. 1 Experimental apparatus:(a)MTS815 test system;( b)CT ma鄄 chine 2 含孔洞大理岩强度与力学特征 2郾 1 含孔洞大理岩力学特征 大理岩是一种典型的脆性岩石,但在预制孔洞 或裂隙的条件下,其峰后特性却有所不同[9] . 图 2 是含孔洞大理岩单轴试验的应力鄄鄄 应变曲线,图 3 是试件破坏后裂纹扩展情况. 从图 2 中可以看出, 含孔洞大理岩单轴试验曲线可以分为四个阶段:裂 隙压密阶段、弹性阶段、变形局部化阶段[3] 以及屈 服破坏阶段. S2鄄鄄2 试件应力鄄鄄应变曲线开始有明显的下凹趋 势,表现出大理岩内部存在的裂隙缺陷被压实. 随 着外部荷载的增加,试件表现出弹性变形的特征,应 力与应变呈线性增加. 应力为 85郾 34 MPa 时,出现 了第一次应力下降,下降幅度很小,为 2郾 66 MPa,引 起该现象的原因是孔周边易应力集中,试件内部应 力达到裂纹起裂应力[3] ,孔洞周围产生了一条裂 纹,随后新产生的裂纹导致第二次应力下降. 最终, 应力 达 到 峰 值 102郾 84 MPa, 对 应 的 峰 值 应 变 为 图 2 含孔洞大理岩单轴压缩试验应力鄄鄄应变曲线 Fig. 2 Uniaxial compression stress鄄strain curve of the hole鄄bearing specimens 图 3 含孔洞大理岩试件破坏模式 Fig. 3 Broken mode of the hole鄄bearing specimens 0郾 76% . 峰后变形局部化阶段特征不明显,表现为应 力阶梯状减少,试件两侧裂纹发育程度较快. 屈服破坏 阶段则表现出脆性破坏的特征,应力急剧下降. S2鄄鄄3 试件的应力鄄鄄应变曲线裂隙压密阶段特征 也比较明显,但经历的压密时间比 S2鄄鄄2 更长,完成 压密的轴向应力基本一致,该阶段的轴向应变却差 异很大,接近一倍. 随后,应力和应变基本呈线性增 加,峰值前也出现明显的裂纹起裂特征,孔洞周围产 生裂隙,峰值应力 112郾 10 MPa,对应的峰值应变为 0郾 97% . 在变形局部化阶段,在小幅度应力降低后, 表现出第一个特征点,应力大小为 109郾 14 MPa,孔 洞周 围 产 生 新 裂 隙, 在 短 时 间 又 降 低 到 106郾 82 MPa. 随着应变的增加,应力有所上升,基本保持在 3 MPa 以内,局部化变形特征明显,裂隙开始大量扩 展,比 S2鄄鄄 2 裂纹更多更复杂,屈服出现平台状特 征,岩样沿着孔周边逐步屈服[1] . 屈服破坏阶段试 件突然失稳破坏. 通过分析,两个试件应力鄄鄄 应变曲线存在相似 ·778·
左江江等：充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 ·779· 和差异，与裂纹的发展密切相关.为表征非均质性 裂纹未得到发展.在弹性阶段后期出现第一次应力 的影响，可以用离散系数山（为两组数据的差值与 降低时，振铃计数明显上升，且在附近多次出现声发 其平均值的商，以百分数表示)来分析.S2-2和S2- 射现象，与试验观察到的现象相符.随后产生的裂 3峰值应力平均值为107.47MPa,离散系数为 隙扩展得到抑制，应力又开始上升，声发射产生频率 8.62%,差异较小：对应的峰值应变离散系数为 及振铃计数降低.在达到峰值应力后，试件屈服破 24.28%,差异较大 坏，试件内部裂纹开始发展，直到贯通形成宏观裂 2.2含孔洞大理岩声发射特征 纹，并伴随着激烈的声发射现象，声发射频率及振铃 声发射是一种能有效地监测岩石内部破坏的手 计数幅值增加，其幅值大小与第一次声发射幅值相 段，在研究预制裂隙岩样的裂纹扩展中也屡有成 当.整体声发射特征表现为先升后降，第一次裂隙 效[1，).图4(a)为S2-2试件单轴压缩过程中声发 发展后，又开始降低，随着试件最终失稳破坏的过 射与轴向应力对应的关系图.可以看出，在裂隙压 程，声发射振铃计数保持较高幅值，试件丧失承载力 密阶段及弹性变形阶段声发射振铃计数较小，内部 后声发射消失. 120[( 120000 120(b) 120000 100 一轴向应力 100000 100- -轴向应力 100000 ·一振铃计数 ·一振铃计数 80000 80 80000 60 60000 60 60000 40 40000 40 40000 20 20000 20 20000 06 100200300400500600700 90204006080010120140 0 时间/s 时间/s 图4含孔洞大理岩试件轴向应力及声发射对应图.(a)S2-2试件：(b)S2-3试件 Fig.4 Corresponding diagram of the axial stress and acoustic emission of the hole-bearing specimens:(a)S2-2 specimen;(b)S2-3 specimen 图4(b)为S2-3试件单轴压缩过程中声发射与 125m 轴向应力对应的关系图.在裂隙阶段及弹性变形阶 F1-1 段未产生明显的声发射现象.但在峰值前弹性阶段 100 -F1-2 后期，振铃计数明显增大，对应的应力幅值也有所降 75 低，幅度不大，孔洞周围裂隙得到发展.在峰值屈服 后应力降低时，出现一次声发射现象，幅值比第一次 50 有所增加，裂纹扩展程度更大.在变形局部化过程 中每一次声发射的振铃计数幅值都比上一次大，有 25 逐渐增加的趋势.整体而言，伴随着试件的逐步失 稳破坏，S2-3试件声发射特征表现为振铃计数逐步 0.2 0.40.60.81.012 轴向应变，% 增加的趋势. 图5孔洞充填条件下大理岩单轴压缩试验应力-应变曲线 3孔洞充填条件下强度与力学特征 Fig.5 Uniaxial compression stress-strain curve of each specimen with the hole filled 3.1孔洞充填条件下力学特征 对预制孔洞的大理岩进行充填，其表现出的力 F1-1试件初期经历了裂隙压密阶段，内部裂隙 学性质与特征如图5所示，破坏后试件裂纹特征如 被压实.随后，试件进入弹性变形阶段，试件的变形 图6所示.充填物采用建筑用的石膏粉制成，根据 速率与应力迅速增长.在峰前短暂的非线性弹性变 同等配比石膏粉的抗压特性测试，其抗压强度约为 形后，试件达到单轴抗压强度的峰值，幅值为 2.75MPa.充填条件下大理岩的应力-应变曲线也 108.26MPa,应变为0.86%.此后，试件屈服破坏， 表现出四个阶段：裂隙压密阶段、弹性阶段、变形局 抗压能力减低，孔洞周围裂纹扩展程度更加剧烈. 部化阶段和屈服破坏阶段. 变形局部化初期表现出与S2-2相似的形式，应力
左江江等: 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 和差异,与裂纹的发展密切相关. 为表征非均质性 的影响,可以用离散系数[1] (为两组数据的差值与 其平均值的商,以百分数表示)来分析. S2鄄鄄2 和 S2鄄鄄 3 峰 值 应 力 平 均 值 为 107郾 47 MPa, 离 散 系 数 为 8郾 62% ,差异较小; 对应的峰值应变离散系数为 24郾 28% ,差异较大. 2郾 2 含孔洞大理岩声发射特征 声发射是一种能有效地监测岩石内部破坏的手 段,在研究预制裂隙岩样的裂纹扩展中也屡有成 效[1,3] . 图 4(a)为 S2鄄鄄2 试件单轴压缩过程中声发 射与轴向应力对应的关系图. 可以看出,在裂隙压 密阶段及弹性变形阶段声发射振铃计数较小,内部 裂纹未得到发展. 在弹性阶段后期出现第一次应力 降低时,振铃计数明显上升,且在附近多次出现声发 射现象,与试验观察到的现象相符. 随后产生的裂 隙扩展得到抑制,应力又开始上升,声发射产生频率 及振铃计数降低. 在达到峰值应力后,试件屈服破 坏,试件内部裂纹开始发展,直到贯通形成宏观裂 纹,并伴随着激烈的声发射现象,声发射频率及振铃 计数幅值增加,其幅值大小与第一次声发射幅值相 当. 整体声发射特征表现为先升后降,第一次裂隙 发展后,又开始降低,随着试件最终失稳破坏的过 程,声发射振铃计数保持较高幅值,试件丧失承载力 后声发射消失. 图 4 含孔洞大理岩试件轴向应力及声发射对应图. (a)S2鄄鄄2 试件;(b)S2鄄鄄3 试件 Fig. 4 Corresponding diagram of the axial stress and acoustic emission of the hole鄄bearing specimens:(a)S2鄄鄄2 specimen;(b)S2鄄鄄3 specimen 图 4(b)为 S2鄄鄄3 试件单轴压缩过程中声发射与 轴向应力对应的关系图. 在裂隙阶段及弹性变形阶 段未产生明显的声发射现象. 但在峰值前弹性阶段 后期,振铃计数明显增大,对应的应力幅值也有所降 低,幅度不大,孔洞周围裂隙得到发展. 在峰值屈服 后应力降低时,出现一次声发射现象,幅值比第一次 有所增加,裂纹扩展程度更大. 在变形局部化过程 中每一次声发射的振铃计数幅值都比上一次大,有 逐渐增加的趋势. 整体而言,伴随着试件的逐步失 稳破坏,S2鄄鄄3 试件声发射特征表现为振铃计数逐步 增加的趋势. 3 孔洞充填条件下强度与力学特征 3郾 1 孔洞充填条件下力学特征 对预制孔洞的大理岩进行充填,其表现出的力 学性质与特征如图 5 所示,破坏后试件裂纹特征如 图 6 所示. 充填物采用建筑用的石膏粉制成,根据 同等配比石膏粉的抗压特性测试,其抗压强度约为 2郾 75 MPa. 充填条件下大理岩的应力鄄鄄 应变曲线也 表现出四个阶段:裂隙压密阶段、弹性阶段、变形局 部化阶段和屈服破坏阶段. 图 5 孔洞充填条件下大理岩单轴压缩试验应力鄄鄄应变曲线 Fig. 5 Uniaxial compression stress鄄鄄 strain curve of each specimen with the hole filled F1鄄鄄1 试件初期经历了裂隙压密阶段,内部裂隙 被压实. 随后,试件进入弹性变形阶段,试件的变形 速率与应力迅速增长. 在峰前短暂的非线性弹性变 形后, 试 件 达 到 单 轴 抗 压 强 度 的 峰 值, 幅 值 为 108郾 26 MPa,应变为 0郾 86% . 此后,试件屈服破坏, 抗压能力减低,孔洞周围裂纹扩展程度更加剧烈. 变形局部化初期表现出与 S2鄄鄄 2 相似的形式,应力 ·779·
·780· 工程科学学报，第40卷，第7期 整体而言，充填试件应力-应变曲线特征相似， 日1-2 峰值应力平均值111.89MPa,离散系数6.47%，对 应的峰值应变离散系数5.65%，试件均质性较好 对比两组试验，充填条件下，峰值应力提高了 6.0%.同时孔洞中的充填物能有效抑制裂纹的扩 展，破坏过程呈现渐进化特征，还能改善试件峰后力 学特性，提高峰后抗压能力 3.2孔洞充填条件下声发射特征 图7是充填条件下试件的声发射特征.F1-1 试件在裂隙压密阶段及弹性阶段声发射特征不明 图6孔洞充填条件下大理岩破坏模式 显，仅有少数声发射事件发生，反映出岩样较为密 Fig.6 Damage mode of each specimen with the hole filled 实，裂纹不发育.在弹性阶段后期出现第一次较大 呈阶梯状下降，降低幅值约为6MPa,试件整体没有 幅度的声发射现象，与单孔洞试验下的试件有相似 丧失抗压能力.应力降到最低点89.72MPa后，试 之处，都表现为孔洞周围裂隙开始发育.到达峰值 件的承载能力又开始上升，孔洞中充填的石膏发挥 前，声发射次数增多，幅值都比第一次小，孔洞周围 了抗压能力，随着变形的增加，应力也开始增加，但 裂隙大面积发育，在屈服破坏后，振铃计数再次升 曲线斜率（即变形模量）比屈服前更低，体现了试件 高，幅值与第一次相当. 内部裂纹扩展损伤山及石膏抗变形能力低.在应力 当应力下降到最低点，声发射现象开始减弱，应 再次达到峰值106.14MPa,应变0.97%时，出现阶 力再次回升时，声发射现象不明显，振铃计数也很 梯状应力下降，试件内部裂纹逐渐贯通，出现大量宏 小，试件裂纹扩展程度小.从试件承载能力再次降 观裂纹，整体失稳破坏 低到最终失稳破坏，振铃计数在试件失去承载能力 FI-2试件裂隙压密阶段比F1-1更加明显，弹 时达到最大，这主要是因为裂纹贯通破坏形成宏观 性阶段两者相似.但在应力达到62.5MPa左右时， 裂隙，试件失去结构承载能力. 出现了第一次应力下降的现象，与S2-2应力第一 F1-2试件在裂隙压密阶段及弹性阶段，声发射 次下降一致，说明孔洞周围裂纹起裂应力相同.此 现象不明显，振铃计数幅值小，但在弹性阶段出现了 后，试件迅速达到峰值强度，幅值为115.51MPa,此 一次剧烈声发射现象，出现时间比F1-1试件更早， 时应变为0.91%.蜂后变形局部化阶段，出现多个 可能与最先起裂裂纹所在部位不同有关，其发育程 屈服平台，应力阶梯状下降，试件变形局部化及内部 度也较低.在屈服破坏后，声发射频率也比较密集， 裂纹逐渐扩展导致了试件抗压能力下降.应力降到 与S2-3试件相似，但振铃计数幅值较大.在近似平 最低点108.57MPa,充填的石膏发挥抗压作用，抑 台状的第二次屈服过程中，声发射特征也与S2-3 制了裂纹发展.随后，应力回升，幅度比F1-1小，约 类似，并在试件最终破坏时，振铃计数达到最大值. 为3MPa,其斜率也比弹性阶段更小，最后试件屈服 整体而言，对比两组试件的声发射特征，含孔洞 破坏. 试件的声发射事件，在屈服破坏后，声发射频率更 125回 7120000 125 1120000 一轴向应力 100000 一轴向应力 100 100F 100000 ·一振铃计数 ·一振铃计数 80000 80000 60000 60000 光 40000 嘉 50 40000 25 20000 20000 0 20040060080010001200 1400 200400600800100012001400 时间/s 时间s 图7孔洞充填试件轴向应力及声发射对应图.(a)F1-1试件：(b)1-2试件 Fig.7 Corresponding diagram of the axial stress and acoustic emission of each specimen with the hole filled:(a)Fl-1 (b)F1-2
工程科学学报,第 40 卷,第 7 期 图 6 孔洞充填条件下大理岩破坏模式 Fig. 6 Damage mode of each specimen with the hole filled 呈阶梯状下降,降低幅值约为 6 MPa,试件整体没有 丧失抗压能力. 应力降到最低点 89郾 72 MPa 后,试 件的承载能力又开始上升,孔洞中充填的石膏发挥 了抗压能力,随着变形的增加,应力也开始增加,但 曲线斜率(即变形模量)比屈服前更低,体现了试件 内部裂纹扩展损伤[1]及石膏抗变形能力低. 在应力 再次达到峰值 106郾 14 MPa,应变 0郾 97% 时,出现阶 梯状应力下降,试件内部裂纹逐渐贯通,出现大量宏 观裂纹,整体失稳破坏. 图 7 孔洞充填试件轴向应力及声发射对应图. (a)F1鄄鄄1 试件;(b)F1鄄鄄2 试件 Fig. 7 Corresponding diagram of the axial stress and acoustic emission of each specimen with the hole filled:(a)F1鄄鄄1 试件;(b)F1鄄鄄2 试件 F1鄄鄄2 试件裂隙压密阶段比 F1鄄鄄1 更加明显,弹 性阶段两者相似. 但在应力达到 62郾 5 MPa 左右时, 出现了第一次应力下降的现象,与 S2鄄鄄 2 应力第一 次下降一致,说明孔洞周围裂纹起裂应力相同. 此 后,试件迅速达到峰值强度,幅值为 115郾 51 MPa,此 时应变为 0郾 91% . 峰后变形局部化阶段,出现多个 屈服平台,应力阶梯状下降,试件变形局部化及内部 裂纹逐渐扩展导致了试件抗压能力下降. 应力降到 最低点 108郾 57 MPa,充填的石膏发挥抗压作用,抑 制了裂纹发展. 随后,应力回升,幅度比 F1鄄鄄1 小,约 为 3 MPa,其斜率也比弹性阶段更小,最后试件屈服 破坏. 整体而言,充填试件应力鄄鄄应变曲线特征相似, 峰值应力平均值 111郾 89 MPa,离散系数 6郾 47% ,对 应的峰值应变离散系数 5郾 65% ,试件均质性较好. 对比 两 组 试 验, 充 填 条 件 下, 峰 值 应 力 提 高 了 6郾 0% . 同时,孔洞中的充填物能有效抑制裂纹的扩 展,破坏过程呈现渐进化特征,还能改善试件峰后力 学特性,提高峰后抗压能力. 3郾 2 孔洞充填条件下声发射特征 图 7 是充填条件下试件的声发射特征. F1鄄鄄 1 试件在裂隙压密阶段及弹性阶段声发射特征不明 显,仅有少数声发射事件发生,反映出岩样较为密 实,裂纹不发育. 在弹性阶段后期出现第一次较大 幅度的声发射现象,与单孔洞试验下的试件有相似 之处,都表现为孔洞周围裂隙开始发育. 到达峰值 前,声发射次数增多,幅值都比第一次小,孔洞周围 裂隙大面积发育,在屈服破坏后,振铃计数再次升 高,幅值与第一次相当. 当应力下降到最低点,声发射现象开始减弱,应 力再次回升时,声发射现象不明显,振铃计数也很 小,试件裂纹扩展程度小. 从试件承载能力再次降 低到最终失稳破坏,振铃计数在试件失去承载能力 时达到最大,这主要是因为裂纹贯通破坏形成宏观 裂隙,试件失去结构承载能力. F1鄄鄄2 试件在裂隙压密阶段及弹性阶段,声发射 现象不明显,振铃计数幅值小,但在弹性阶段出现了 一次剧烈声发射现象,出现时间比 F1鄄鄄1 试件更早, 可能与最先起裂裂纹所在部位不同有关,其发育程 度也较低. 在屈服破坏后,声发射频率也比较密集, 与 S2鄄鄄3 试件相似,但振铃计数幅值较大. 在近似平 台状的第二次屈服过程中,声发射特征也与 S2鄄鄄 3 类似,并在试件最终破坏时,振铃计数达到最大值. 整体而言,对比两组试件的声发射特征,含孔洞 试件的声发射事件,在屈服破坏后,声发射频率更 ·780·