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·