紅砂巖中不同深度表面裂隙的破裂模式研究

陸永龍

（新疆大學，新疆烏魯木齊 830046）

裂隙在自然界的巖體中廣泛存在，初始裂隙在外力的情況下會發展，初始裂縫的膨脹滲透形成滲流通道以及裂隙之間的相互貫通，使得巖體的強度下降，容易造成重大的災害，比如滑坡等。針對于這些存在的問題，國內外學者進行了大量的研究，如王國艷探求了初始裂隙傾角對巖石損傷裂斷特征的影響[1]。張仕林[2]、趙國彥[3]等研究了單軸壓縮下不同預制裂隙對巖石力學行為的影響，研究表明含不同孔洞裂隙的試樣的力學參數均顯著低于完整巖樣。陳宇龍等對頁巖進行凍融循環試驗，發現應力集中現象出現在層理面與表面的交界處[4]。

各種裂紋的萌生、擴展、貫通過程、方向和性質是巖石微觀破壞研究的重點[5-7]。這些研究為巖體穩定及工程防災提供了重要指導和設計依據。王笑然等借助聲發射監測手段，對巖石受載內部微裂紋擴展及其震源機制進行反演，認識到宏觀裂紋擴展過程的非線性斷裂力學行為[8]。本研究選用紅砂巖進行試驗，先對紅砂巖進行裂隙的預制，再對巖樣進行單軸壓縮，觀察加載后試樣的裂紋破壞情況，對于實際工程中的巖石破壞模式有一定的指導意義。

1 含表面裂隙試件的制作

實驗選用紅砂巖為研究對象，主要成分為長石和石英，部分成分為高嶺石和綠泥石，含有少量的方解石、伊利石和伊蒙混層等組成。顆粒粒徑大小均勻，結構致密。

試樣尺寸為50 mm×100 mm（直徑×高度）的標準圓柱試樣，用直徑為Φ20 mm 的圓形切割刀具在試樣表面預制出表面裂隙，預制裂隙上下面間距為2 mm，角度水平，根據切割深度的不同，將試樣分為六組，為了避免個別試樣出現極端情況，同一深度的預制裂隙準備三個試樣進行試驗，切割深度d 分別為0 mm（完整試樣）、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm，見圖1（a）。所有試樣上下端面經過打磨機打磨，保證兩個加載面的平行度滿足試驗規程規范要求。

圖1 預制裂隙試樣

2 試驗測試

試驗采用DSZ-1000 應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀對試樣進行單軸壓縮試驗，該儀器最大軸向力為1 000 KN。試驗過程采用位移加載的方式，速率為0.1 mm/min。加載之前，在巖石試樣上下端面放置剛性墊塊，并在巖樣兩端涂抹凡士林以減小端部摩擦效應。紅砂巖脆性較高，在加載過程中試樣容易突然崩壞，試樣表面會有部分巖石脫落，并且可能發生巖石試樣直接壓壞而散落，在加載之前用膠套將試樣套住，并用熱風機將膠套吹緊使其貼緊試樣，在加載完成后能很好的觀察巖石試樣的裂紋情況。在加載過程中，通過軸向傳感器和徑向傳感器可以實時測得軸向應變及徑向應變。

3 試驗結果及討論

3.1 不同深度裂隙砂巖強度和變形特性分析

圖2 為不同深度預制裂隙試樣的軸向應力-應變曲線圖和力學參數變化特征，我們選取了其中一組比較具有代表性的試樣，可以看出軸向應力-應變曲線之間存在明顯差異，表明不同深度的裂隙對巖石的力學行為影響較大，隨著裂隙深度的增加，試樣的峰值強度呈現逐漸下降的趨勢，完整的砂巖試樣峰值強度最高，達到了94.64 Mpa，其經歷了壓密階段，彈性階段，屈服階段，破壞階段以及峰后應力跌落階段，在到達峰值強度之后，應力迅速跌落，這體現了砂巖典型的脆性特征，而后應力呈線性下降到零，采用位移控制的方式在巖石破壞后，壓頭并不會馬上停止，而是繼續向下移動，造成峰值強度之后應力曲線呈線性減小到零，而此時軸向應變隨著壓后的下降，會繼續增大。當軸向位移超過設定的警告線時，系統自動結束此次試驗。

圖2 不同深度裂隙的軸向應力-應變曲線

巖石試樣的彈性模量隨著預制裂隙深度的增加呈現逐漸減小的趨勢，見圖3，在裂隙深度為5 mm、10 mm、15 mm 時下降的幅度較小，其彈性模量平均值分別為21.25 Gpa、19.79 Gpa、19.41 Gpa，為完整試樣彈性模量的92.4%、86.3%、84.7%，我們發現裂隙為5 mm 時其中一個試樣的彈性模量比完整試樣彈性模量有略微的增大，事后檢查的時候發現造成這樣的原因是由于安裝傳感器時沒有扭緊，軸向傳感器在試驗過程中有略微的彎曲導致測得的軸向應變比實際應變要小，裂隙深度為20 mm、25 mm 時試樣彈性模量平均值為12.21 Gpa、7.2 Gpa，只有完整試樣的53.2%、31.4%，下降幅度非常明顯。由彈性模量與裂隙深度的擬合曲線知，彈性模量隨著裂隙深度的增加也呈現二次拋物線形式的降低。

圖3 彈性模量與裂隙深度相關性擬合曲線

結合圖4 軸向與徑向應力-應變曲線圖可知，在試驗開始時至峰值強度之間，試樣的軸向應變的增加遠大于徑向應變的增加，試樣在達到峰值強度后，軸向應力會突然跌落，應變基本沒有變化，而徑向表現為徑向應力緩慢減小，徑向應變快速增加，其中10 mm 深度裂隙試樣在加載過程中，當應力達到63 Mpa 時徑向應變快速增加，應力保持不變，隨后應力繼續上升到峰值后出現第二次應變快速增加，出現該情況的原因是因為徑向傳感器安裝在預制裂隙處，在加載到63 Mpa 時試樣在預制裂隙上方有微裂紋產生，導致試樣裂隙上方產生較大的徑向變形，從而使徑向傳感器采集的數值增大。

圖4 軸向與徑向應力-應變曲線

3.2 預制裂隙試樣宏觀破壞模式分析

圖5 為不同深度預置裂隙砂巖試樣加載破壞后的宏觀圖，我們選擇了其中一組比較有代表性的試件，由圖5 可以看出所有預制裂隙試樣加載后破壞面均與預制裂隙相貫通，這是因為在預制裂隙與巖石交接處發生了應力集中，試樣會先從該處發生破壞，這與理論分析的情況一致。完整砂巖在單軸壓縮下的破壞模式為劈裂拉破壞，在試驗過程中，當應力達到峰值時，巖石會發出短暫且劇烈的崩壞聲，隨后應力開始跌落，徑向應變開始快速增加，表明此時巖石已經破壞。

圖5 不同深度裂隙試樣加載后裂紋情況

5 mm 深度裂隙試樣為劈裂破壞，在預置裂隙兩側產生兩條翼裂紋，并且在試件上端部有部分巖石被壓碎而“隆起”，其他部位沒有明顯的裂紋產生，兩條翼裂紋為主裂紋，沿著試件上表面貫通至下表面，在沿著兩條主裂紋路徑表面有部分巖石皮脫落，巖石試件產生劈裂破壞。10 mm 預置裂隙試件破壞模式為劈裂破壞和剪切破壞組合，破壞后產生兩條翼裂紋，均為拉伸裂紋，右側翼裂紋下方的反翼裂紋為剪切裂紋，長度約為翼裂紋的一半，主裂紋為兩條翼裂紋。

15 mm、20 mm 試件為剪切破壞和劈裂破壞的組合破壞，裂紋依然由翼裂紋和反翼裂紋構成，翼裂紋大部分為剪切裂紋，少部分為拉伸裂紋，反翼裂紋逐漸成為主裂紋。25 mm 試件只在預制裂隙上方產生剪切破壞，裂紋為一條翼裂紋加一條反翼裂紋，均為剪切裂紋，破壞模式比較單一。

隨著預制裂隙深度的增加，試件逐漸從劈裂破壞轉向剪切破壞，萌生的裂紋均和預制裂隙兩側相連接，見圖6，當預制裂隙深度較小時，破壞裂紋與預制裂隙之間的夾角θ 約為90°，隨著d 的增加，角度θ 有略微的減小，當d 為25 mm 時，角度突變為鈍角，θ 約為130°。

圖6 巖石裂紋示意

4 結論

（1） 紅砂巖作為一種脆性材料，在單軸壓縮下呈現軸向劈裂破壞，紅砂巖的單軸抗壓強度和彈性模量均隨著水平預制裂隙深度的增加呈二次拋物線形式降低。（α=0.4 時峰值強度僅為完整試樣峰值強度的一半，α=0.5 時峰值強度不到完整試樣的三分之一）。

（2） 隨著預制裂隙深度的增加，紅砂巖試樣破裂模式從軸向劈裂破壞逐漸向剪切破壞轉變，完整試樣為劈裂破壞，預制裂隙深度d 較小時為劈裂破壞與剪切破壞的組合破壞模式，d 為25 mm 時試樣為剪切破壞。

（3） 巖石加載后主裂紋與預制裂隙之間的角度θ隨著α 的增加先減小后增加，α 較小時θ 為接近90°的銳角，當α 為0.5 時θ 突變為約130°的鈍角。說明預制裂隙深度達到一定值時巖石破裂面角度會產生突變。

（4） 巖石內有裂隙或孔洞的位置處會產生應力集中現象，受力面積變化越大應力集中現象越明顯，這對巖石的受力是十分不利的，在實際工程中應當盡量避免出現應力集中的現象。