不同加載條件下含預制單裂隙巖石強度和變形特性研究

鮮于文攀 呂小波 趙其華 韓剛

摘 要：為揭示不同加載條件下含預制單裂隙巖石強度和變形特性，配制相似材料，分別預制裂隙傾角α為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，設置側壓為0，5，10 MPa，在常規壓縮、循環加卸載條件下開展試驗。試驗結果表明：循環加卸載對巖樣有弱化作用，其峰值強度小于同條件下常規加載的巖樣。試驗中一共觀察到9種貫通模式。常規加載時，當α≥45°時，貫通模式以張性貫通為主；當α<15°時，貫通模式以剪性貫通為主；當α為15°、30°時，貫通模式以張剪性貫通為主。循環加卸載時，更容易發生剪性貫通。巖樣變形過程中，由PIV粒子成像測速系統導出的流場可知，產生裂紋的區域位移方向線都發生顯著變化，但并非所有位移發生變化的區域都會形成裂紋，只有當位移矢量差達到一定值時裂紋才會產生。

關鍵詞：裂隙巖石；變形特性；峰值強度；雙軸加載試驗；循環加卸載試驗

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0124-06

Abstract： It reveals the strength and deformation characteristics of rock with single pre-existing fissures under different loading conditions（conventional compression and cyclic loading test） by means of preparing similar materials. The inclination angle of pre-existing fissure α is 0°， 15°， 30°， 45°， 60°， 75°， 90° and the lateral pressure is 0， 5， 10 MPa respectively . The cyclic loading and unloading have a weakening effect on the rock sample， and its peak strength is less than that of conventional loading under the same conditions. Totally 9 coalescence modes are observed in the test. Under normal loading test， the coalescence mode is main tensile coalescence （α is greater than or equal to 45°）， shear coalescence（α is lower than 15°） and tensile-shear coalescence（α is 15° or 30°）. Tensile coalescence is more possible to happen in cyclic loading and unloading test. In the process of rock deformation， the displacement direction lines have significant changes in the region with fissures according to flow field exported by PIV particle imaging velocimetry system. But not all the regions with displacement changed will form fissures but when the displacement vector difference reaches a certain value.

Keywords： crack rock； deformation characteristics； peak strength； biaxial compression test； cyclic loading and unloading test

0 引 言

巖體是自然界最重要的構成要素之一，由眾多規模不一、產狀不同的結構面縱橫切割而成，是具有一定結構的地質體，它包括了從微觀到細觀直至宏觀的各種尺寸缺陷[1]。由于長期的構造地質作用，巖體的連續性和完整性遭到破壞，巖體內部缺陷的不斷擴展和貫通行為將對巖體力學性能產生顯著影響，導致巖體最終失穩破壞。很多學者對節理巖體的力學性質、變形特性和破壞模式等進行了大量研究，一般采用含預制裂隙的相似材料來模擬含節理的天然巖體。如文獻[2-5]通過采用水泥砂漿作為相似材料來模擬天然巖體。陳新等[6]、白世偉等[7]采用石膏混合料模擬斷續節理巖體。相似材料能較好地反映原巖的物理力學性能，且易于制作各種固定形式的節理，而被廣泛應用于模型試驗。

裂隙巖石峰值強度受多種因素影響。孫朝陽[8]通過相似材料模型試驗，分析了不同裂隙角度對巖體強度的影響，得出試件的峰值強度隨裂隙角度的增大表現出先減小后增大的規律。楊圣奇等[9-10]對含有三維裂紋的大理巖進行常規三軸壓縮試驗，研究了圍壓對斷續裂隙大理巖強度的影響。林卓英[11]、胡盛斌等[3]著重研究了巖石在循環荷載作用下的強度特征，得出巖石在循環荷載作用下的強度低于其靜力強度。

對于裂隙巖石變形特性研究。李銀平等[12]對含預制裂紋大理巖塊試件進行壓剪試驗，觀察到預制裂紋尖端萌生有張拉型的翼型裂紋、壓剪型的次生裂紋和翼裂反向裂紋，得出原生裂紋的方位對產生何種裂隙有顯著的影響。陳蘊生等[13]利用CT識別技術對節理試樣加載過程進行全程掃描，獲得裂紋被擠密、翼裂紋擴展和最終貫通破壞的演化過程。

國內外眾多學者研究了單軸壓縮、三軸壓縮條件下裂隙巖石的強度和變形特性。由于試驗設備的限制，較少學者對雙軸壓縮、雙軸循環加卸載條件下裂隙巖石的強度和變形特性進行研究。本文對一種類玄武巖性質的脆性巖石材料進行常規和循環雙軸壓縮試驗，系統分析了裂隙傾角和加載條件對裂隙巖石強度和變形特性的影響。

1 試驗設計

1.1 材料選擇及試樣設計

配制類玄武巖相似材料，材料配比沿用課題組已有成果[14]，其質量比為水泥∶石膏∶重晶石粉∶石英砂∶水∶早強劑∶防水劑=35%∶8%∶12%∶30%∶14%∶0.6%∶0.4%。相似材料的相關物理力學參數可查閱文獻[14]。制作42個100 mm×100 mm×100 mm的含預制單裂隙巖樣。采用抽條法預制裂隙，云母片充填裂隙，預制裂隙厚0.5 mm，模擬含閉合單裂隙巖石。裂隙巖石加載示意圖如圖1所示，α為裂隙傾角，θ為裂紋起裂角。裂隙傾角α分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。試樣命名為N（X/C）-X-Y，其中N代表加載方式（X代表循環加卸載，C代表常規加載），X為裂隙傾角，Y為側壓值。如C-15-5代表裂隙傾角為15°，側壓為5 MPa，采用常規加載的巖樣。模型材料可認為近似類玄武巖相似材料，去玄巖和模型材料物理力學參數如表1所示。

1.2 試驗設備

加載設備采用成都理工大學地質災害與地質環境保護國家重點實驗室的YDS-3型巖石力學多功能試驗機（計算機自動控制加載），采用PIV粒子成像測速系統記錄巖樣表面變形全過程，PIV粒子成像測速系統與加載系統同時開啟，以5幀/s的頻率采集照片，軸向應力與采集照片具有一一對應性。YDS-3型巖石力學多功能試驗機的技術指標能較好地滿足試驗的需求，如表2所示。

1.3 試驗方案

進行常規加載試驗和循環加卸載試驗，側壓設置過小或增加幅值過小，峰值強度增加并不明顯，離散性較大，經過課題組前期的不斷調試和試驗，最終將側壓值設置為0，5，10 MPa，控制方式采用應力控制，加載速度0.5 MPa/s。常規加載時，側向和軸向同時加載，側向應力達到設計值后，停止加載并保持穩定，軸向持續加載直到巖樣破壞。循環加卸載試驗時，側向應力達到設計值后保持穩定；由于起始循環值的大小對峰值強度的影響較小，且為了保持一定的循環次數，設為完整巖樣峰值應力的25%即15 MPa，軸向采用等增幅加載，每級荷載增加10 MPa，軸向起始卸載值為25 MPa，卸載到15 MPa。如，當側壓值為10 MPa時，應力路徑為：側向0-10 MPa；軸向：0-25 MPa-15 MPa-35 MPa-15 MPa-45 MPa-15 MPa-55 MPa-15 MPa-破壞。

2 強度特性

2.1 應力-應變曲線

常規壓縮條件下，巖樣應力-應變曲線如圖2所示，由于篇幅有限，循環加卸載條件下巖樣的應力-應變曲線僅呈現一個巖樣（X-90-10）。巖樣應力-應變曲線表現出以下特點：

1）所有巖樣的應力-應變曲線經過短暫的壓密階段（上凹）后，均長期處于彈性變形階段（線性）。軸向應力達到巖樣峰值應力后，巖樣迅速失穩破壞，表現出較強的脆性。

2）循環加卸載時，卸載曲線與加載曲線形成明顯的滯回環，應力-應變曲線的外包絡線與常規加載條件下的應力-應變曲線類似。

3）側壓越大，壓密階段與彈性變形階段的分界點越明顯。

2.2 各因素對峰值應力的影響

不同應力條件下，巖樣峰值強度統計情況如圖3所示。從圖中可得：1）無論是常規加載還是循環加卸載，側壓一定時，裂隙傾角與峰值強度均呈現出V形關系，當裂隙傾角為45°時，巖樣峰值強度最小；2）加載方式和裂隙傾角相同的巖樣，側壓越大，峰值強度越大，峰值強度增大的幅值隨側壓的增大而減小；3）裂隙傾角和側壓相同的巖樣，循環加卸載時巖樣的峰值強度小于常規加載時巖樣的峰值強度。

3 變形特性

3.1 巖樣裂紋貫通模式

本次試驗中，多數試樣破壞時均出現了不同程度的裂紋貫通。一共觀察到9種貫通模式（見表3），與已有研究成果類似，裂紋貫通模式大致可劃分為張性貫通（T）、剪性貫通（S）、張剪復合貫通（T+S）3類。為了能更好地觀察預制裂隙端部萌生的初始裂紋，某些試樣預制裂隙端部涂抹了一層薄的白色乳膠漆。

3.2 各因素對貫通模式的影響

表4列出了所有試樣裂紋貫通模式（巖樣表面裂紋未貫通的巖樣未做統計）。從試驗結果分析可得：1）常規加載時，當預制裂隙傾角≥45°時，貫通模式以張性貫通為主；當預制裂隙傾角<15°時，貫通模式以剪性貫通為主；當預制裂隙傾角為15°、30°時，貫通模式以張剪性貫通為主。循環加卸載時，剪性裂紋萌生的幾率增加，各類傾角的巖樣都萌生了不同程度的剪性裂紋（60°巖樣除外）。2）雙軸加載條件下，無論是常規加載還是循環加卸載，側壓增大，剪性裂紋的發育都逐漸占主導地位。

3.3 巖樣的變形過程

根據位移場的分布規律，分析裂紋的發展過程及裂紋屬性。裂紋分類依據文獻[15]的研究成果，如圖4所示。當位移趨勢線產生反向的位移分量，或者位移同向，但后者位移值較前者小時由于相對拉伸，均會產生拉裂紋（圖4（a））；當位移分量同向，但后者位移值較前者大時由于擠壓作用會產生剪裂紋（圖4（b））。

從所測結果看，PIV粒子成像測速系統測得的位移場規律性較好。通過將各個時刻巖樣表面照片與其對應的位移場進行疊加分析其變形特性。圖5為巖樣C-45-0試驗過程中裂紋起裂、擴展和貫通的位移場。圖中箭頭所指的方向為該點發生位移的方向，箭頭長度和顏色都代表該點發生位移的大小。裂紋萌生階段（圖5（a）），預制裂隙下端萌生了一條光滑的拉裂紋，但這條宏觀裂紋要通過放大圖片才能清晰可見，文中僅呈現了裂紋起裂的示意圖。裂紋擴展階段（圖5（b）），初始萌生的裂紋持續發展。在預制裂隙上端部發育一條翼裂紋1，在位移場中可見翼裂紋1兩側的位移出現不連續：其上部各點整體向左下方滑動，下部區域各點整體向右下方移動（與圖5（a）類似）。在預制裂隙右端發育有一條明顯的張裂紋2，該裂紋周圍的位移方向線也發生了明顯的變化：其左端各點整體向下移動，下端各點整體向右偏下方移動（與圖4（b）類似）。裂紋貫通階段（圖5（c）），隨著加載的繼續增大，裂紋1和2持續發育，且主要沿著位移矢量差的分界面向邊界擴展直至貫通，形成一個宏觀貫通破壞面。此外，在預制裂隙上端部向下萌生了一條裂紋3并迅速擴展至巖樣邊界。從位移場可以看出，裂紋3是基于兩側存在較大的位移矢量差而萌生并發育而成。

圖6為巖樣C-90-0試驗過程中裂紋起裂、擴展和貫通的位移場。裂紋萌生階段（圖6（a）），僅呈現出裂紋起裂示意圖。在擴展階段（圖6（b）），可以看到預制裂隙上下端部發育有兩條明顯的張裂紋1和2，在預制裂隙兩側的位移明顯不連續：裂隙左側各點整體向左下方移動，右側各點整體向右下方移動，且在裂隙的下端部位移矢量差最為明顯，從而首先在裂隙下端部形成張拉型裂紋1。裂紋2的形成機理與1相似，在此不再贅述。隨著加載增大，裂紋1和2持續發育，直至與邊界貫通，試樣破壞。

位移場反映了裂隙尖端起裂、裂紋擴展直至最后貫通破壞的發展全過程。從試樣各階段的位移場也可以看出并非所有位移方向線發生變化的分界面都會產生裂紋，只有當位移矢量差達到一定值時才會產生宏觀裂紋，位移方向線的變化是產生裂紋的必要條件。

4 結束語

本文采用相似材料模型試驗，研究了不同加載條件下含預制單裂隙巖石的強度和變形特性，主要結論如下：

1）各加載條件下，巖樣峰值強度大小依次為：常規雙軸加載試驗>循環雙軸加卸載試驗>常規單軸加載試驗>循環單軸加卸載試驗。側壓增大，巖樣峰值強度增大，但增加幅值減小，試樣的壓密階段與彈性變形階段的分界點越明顯。裂隙傾角α為45°時，巖樣峰值強度往往最小。

2）試驗中一共觀察到3大類、9小類貫通模式：2類張性貫通，2類剪性貫通，5類張剪性貫通。

3）常規加載時，當α≥45°時，裂紋貫通模式以張性貫通為主；當α<15°時，裂紋貫通模式以剪性貫通為主；當α為15°、30°時，貫通模式以張剪性貫通為主。循環加卸載時，剪性裂紋萌生的機率增加，各類傾角的巖樣都萌生了不同程度的剪性裂紋（60°巖樣除外）。

4）雙軸加載條件下，無論是常規加載還是循環加卸載，側壓增大，剪性裂紋的發育都逐漸占主導地位。

5）巖樣變形過程中，產生裂紋的區域位移方向線都發生顯著變化，但并非所有位移發生變化的區域都會形成裂紋。只有當位移矢量差達到一定值時裂紋才會產生。

參考文獻

[1] 劉紅巖. 節理巖體損傷本構模型及工程應用[M]. 北京：冶金工業出版社，2016：27-39.

[2] 蒲成志，曹平，趙延林，等. 單軸壓縮下多裂隙類巖石材料強度試驗與數值分析[J]. 巖土力學，2010，31（11）：3661-3666.

[3] 胡盛斌，鄧建，馬春德，等. 循環荷載作用下含缺陷巖石破壞特征試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2490-2495.

[4] 張偉，周國慶，張海波，等. 傾角對裂隙巖體力學特性影響試驗模擬研究[J]. 中國礦業大學學報，2009，38（1）：30-33.

[5] 劉東燕，胡本雄. 含裂隙巖石受壓破壞的聲發射特性研究[J]. 地下空間，1998（4）：210-215.

[6] 陳新，廖志紅，李德建. 節理傾角及連通率對巖體強度、變形影響的單軸壓縮試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30（4）：781-789.

[7] 白世偉，任偉中，豐定祥，等. 平面應力條件下閉合斷續節理巖體破壞機理及強度特性[J]. 巖石力學與工程學報，1999，18（6）：635-640.

[8] 孫朝陽. 不同裂隙角度對巖體強度影響研究[J]. 煤炭技術，2015，34（6）：113-115.

[9] 楊圣奇，劉相如. 不同圍壓下斷續預制裂隙大理巖擴容特性試驗研究[J]. 巖土工程學報，2012，34（12）：2188-2197.

[10] 楊圣奇，溫森，李良權. 不同圍壓下斷續預制裂紋粗晶大理巖變形和強度特性的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2007，26（8）：1572-1587.

[11] 林卓英，吳玉山. 巖石在循環荷載作用下的強度及變形特征[J]. 巖土力學，1987（3）：33-39.

[12] 李銀平，王元漢，陳龍珠，等. 含預制裂紋大理巖的壓剪試驗分析[J]. 巖土工程學報，2004，26（1）：120-124.

[13] 陳蘊生，李寧，李愛國，等. 非貫通節理介質細觀損傷演化的CT分析[J]. 巖石力學與工程學報，2000，19（6）：702-706.

[14] 韓剛，楊帆，劉宇，等. 雙軸循環荷載條件下含預制裂紋類玄武巖巖橋貫通模式[J]. 工程地質學報，2016，24（2）：235-245.

[15] ZHANG X P， WONG L N Y. Cracking processes in rock-like material containing a single flaw under uniaxial compression： a numerical study based on parallel bonded-particle model approach[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2012，45（5）：711-737.

（編輯：李妮）