裂隙角度對非等長裂隙巖石強度和破壞模式的影響*

于可鑫 和軍濤 吳賽賽 李 群

（1.華北理工大學礦業(yè)工程學院；2.華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地）

自然界中的巖體是一個復雜的地質(zhì)結構體，因受到地應力或人為擾動等因素的影響使得巖體內(nèi)部隨機分布各種不連續(xù)的節(jié)理、裂隙［1］。巖石中裂隙的存在劣化了巖石的性能，許多巖土工程的失穩(wěn)和破壞都是由巖體內(nèi)部裂隙的擴展和貫通誘發(fā)而造成［2-3］。因此，開展裂隙角度對巖石強度特性和破壞特征的影響具有重要意義。

目前，已有眾多學者對裂隙巖體的破壞問題展開了研究，鮮于文攀等［4］對預制單裂隙巖石進行不同條件的加載實驗發(fā)現(xiàn)，巖石裂紋的貫通模式與預制裂隙傾角有關；BOBET 等［5］通過石膏模型預制等長裂隙，在單軸壓縮下研究類脆性巖石非共面裂隙的起裂、擴展與貫通破壞過程，實驗結果表明加載應力條件對裂紋貫通模式有顯著影響。AFOLAGBOYE等［6］對等長裂隙的類巖石模型進行單軸壓縮試驗研究，指出預制裂隙長度和角度會影響裂隙的起裂行為和擴展過程。LI 等［7］對大理巖預制裂隙試樣進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)裂縫幾何形狀決定著裂紋發(fā)展。YANG 等［8］采用巖石預制等長裂隙試樣，系統(tǒng)研究了裂隙長度、傾角、巖橋角度等對巖石巖峰值強度、裂紋擴展的影響規(guī)律。YANG 等［9］通過常規(guī)三軸試驗研究了圍壓對砂巖中預制等長裂隙擴展貫通的影響機理，指出裂隙布置形式對巖體變形、強度及裂隙擴展形式有較大的影響。李建旺［10］研究單軸壓縮下預制雙裂隙巖石的破壞過程發(fā)現(xiàn)，巖石最先出現(xiàn)微裂隙的區(qū)域為預制裂隙的兩端。孫冰等［11］對不同裂隙形式類巖體單軸壓縮破壞特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)裂隙形式、裂隙傾角和巖橋長度等參數(shù)變化對試樣強度和破壞形式有較大影響。李延春等［12］人對單軸壓縮荷載作用下裂隙的擴展研究，并進行CT掃描，發(fā)現(xiàn)下裂隙比上裂隙對試樣破壞的影響較大。牛心剛等［13］對不同傾角的預制裂隙巖石單軸壓縮聲發(fā)射特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)預制裂縫的傾角會對試樣的抗壓強度以及變形破壞特征產(chǎn)生影響。張輝［14］對含預制裂隙的花崗巖試件進行了單軸壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)裂隙對試件的強度具有明顯的削弱作用，并且強度隨著裂隙傾角的增大而增大。

但是大多數(shù)的研究都是基于單裂隙或者相等長度的預制裂隙，對非等長裂隙的研究較少，而在實際工程中巖體的裂隙是一個隨機性的、多種尺度的裂隙組合系統(tǒng)。因此，一些學者開始關注加載作用下非等長裂隙的巖石破壞問題。陳慶豐［15］以不等長多裂隙試件為研究對象，基于斷裂力學理論建立了受拉狀態(tài)下的I-II 復合型不等長雙裂紋的主裂紋失穩(wěn)起裂時的強度表達式，獲得了巖橋長度、次裂紋長度以及裂紋角度與裂紋起裂強度之間關系。席婧儀等［16］對含2 條非等長共線裂隙的類巖石試樣進行單軸壓縮試驗，結果表明裂隙傾角小于或等于45°時，主次裂隙均發(fā)育翼裂紋，但各自擴展并不貫通；傾角大于45°時，2 條裂隙發(fā)育次生裂隙，次生裂隙貫通導致試樣破壞。王程程等［17］對不同長度、不同角度的預制裂隙類巖石進行單軸壓縮實驗得出抗壓強度及破壞形式與主裂隙的長度和裂隙傾角有關。因此，本文以非等長非共線雙裂隙花崗巖為研究對象，通過單軸壓縮試驗，探究了裂隙角度參數(shù)變化對巖體強度和變形特性的影響規(guī)律。

1 實驗內(nèi)容

1.1 試樣制備

本次試驗巖石試樣為花崗巖，試樣尺寸為高100 mm，寬50 mm，厚25 mm，對巖石各端面進行打磨，不平行度控制在±0.1 mm 內(nèi)，滿足相關試驗要求。設計預制裂隙為貫穿試樣厚度的裂隙，主裂隙長度2a為20 mm，與水平方向呈45°布置；次裂隙長度2b為12 mm，次裂隙與水平方向夾角α分別為60°，45°，30°，0°，150°，135°，120°；主次裂隙間距2c為12 mm。非等長雙裂隙巖石試樣示意圖如圖1 所示。

1.2 實驗方法

本次實驗加載設備采用TAW-3000 伺服壓力試驗系統(tǒng)，該加載系統(tǒng)為全數(shù)字計算機自動控制系統(tǒng)，最大荷載達3 000 kN，加載精度誤差在1%內(nèi)。加載采用軸向位移控制方式，單軸加載速率設定為0.002 mm/s，加載至試樣失去承載能力后停止加載。在試驗過程匯總采用VIC-3D 全場應變測量系統(tǒng)對其進行監(jiān)測，其能通過追蹤物體表面的圖像，為實驗提供三維空間內(nèi)全視野的形狀、位移及應變測量數(shù)據(jù)（圖2）。在試驗開始前在試樣端部涂抹凡士林，防止端部效應對結果造成影響。

2 試驗結果及分析

2.1 不同裂隙角度下試樣強度分析

對7組不同裂隙角度的試樣進行單軸壓縮試驗，得到不同角度條件下應力-時間曲線，如圖3 所示。由圖3 可知，不同角度試樣的應力-時間曲線均呈現(xiàn)了裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破裂后階段。巖石試樣的應力-時間曲線變化趨勢是相似的，呈現(xiàn)明顯的塑性變形階段（α=60°時最為明顯），到達峰值強度之后，應力曲線快速跌落，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。但次裂隙角度為0°時，應力曲線達到達峰值強度后，下降過程中局部出現(xiàn)階梯式跌落。

裂隙角度會對試件的抗壓強度造成影響，次裂隙角度為60°時，試樣的峰值強度最高，次裂隙角度為150°時，試樣的峰值強度最低。次裂隙角度在0°～60°時，隨著角度的增加，強度隨之增大，巖石試樣的峰值抗壓強度由66.02 MPa增長到91.29 MPa，增長幅度為38.3%。次裂隙角度在60°～150°時，峰值強度呈現(xiàn)波動下降趨勢。

2.2 不同裂隙角度試件破壞模式分析

含有預制裂隙的巖石在壓縮作用下，預制裂隙的尖端會產(chǎn)生應力集中，當遠場應力在裂紋面上形成的剪切力τ超過裂紋尖端摩擦力時，在預制裂隙結構面處將產(chǎn)生相互滑動，形成張開型翼形裂紋［18］，當拉力持續(xù)增大超過其極限時，會產(chǎn)生次翼裂紋。翼裂紋、次翼裂紋相互貫通從而形成貫穿裂紋。

圖4 列出了次裂隙角度在0°～150°變化時，巖石試樣在單軸壓縮條件下的最終破壞模式。由圖4 可知，裂隙角度對巖石破壞模式有較大影響，例如角度為60°時巖石的破壞為拉伸-剪切破壞形式，角度為120°時巖石的破壞形式主要為拉伸破壞。

α=60°的試樣在單軸壓縮下新生裂紋由主裂隙兩端開始發(fā)育，主裂隙上端擴展至次裂隙下端，形成細長拉伸翼裂紋；在主裂隙上端部向下產(chǎn)生剪切裂紋后又迅速發(fā)育為拉伸破壞。隨著荷載增加，裂紋迅速由次裂隙貫通整個試樣，在破壞形式上，該試樣在次裂隙輔助下以拉伸破壞為主，主裂隙下端局部伴有剪切破壞，形成貫通次裂隙的“人”字形破壞。

對于次裂隙傾角為45°、30°試樣來說，新生裂紋由主裂隙上端部開始產(chǎn)生并向下發(fā)育，破壞模式主要為拉伸破壞形式。α=0°時，新生裂紋由主裂隙上端開始發(fā)育，試樣頂?shù)變啥水a(chǎn)生拉伸裂紋并迅速擴展貫通，試樣頂端中部裂紋拉伸至次裂隙，主裂隙上端側部巖石片落，失去抗壓能力。

α=150°時，新生裂隙從主裂隙兩端最先產(chǎn)生，然后試樣頂?shù)變啥水a(chǎn)生拉伸裂紋，貫通主裂隙，在整體上呈現(xiàn)拉剪復合破壞的模式，試樣整體貫通，最終的破壞形式有剪切破壞和拉伸破壞共同作用。α=135°時，新生裂紋從主裂隙靠下端的試樣底部開始產(chǎn)生，并向上發(fā)育成拉伸翼裂紋，隨著壓力上升，主裂隙上端與次裂隙上端產(chǎn)生拉伸裂紋，試樣最終為拉伸和剪切共同作用的破壞形式。α=120°時，試樣在主裂隙兩端發(fā)育的裂隙迅速延伸，裂隙由試樣頂端產(chǎn)生后貫通主裂隙上端，產(chǎn)生裂紋，在整體上呈現(xiàn)拉伸破壞，試樣主裂隙下端部產(chǎn)生1條向上延伸的拉伸翼裂紋與一條底部向上延伸的剪切翼裂紋連通，最后連接次裂隙。

3 不同裂隙角度試件DIC分析

圖5 為不同裂隙角度試件在單軸壓縮條件下破壞階段應場云圖，在試件破壞階段，不同試件的最大應變值基本出現(xiàn)在預制裂隙附近以及翼裂紋、次翼裂紋拓展處。不同角度裂隙對試件應變有著一定的影響。

α=60°時，應變值最大點出現(xiàn)在主裂隙下端為3.85×10-2，在次裂隙兩端也產(chǎn)生了較小的應變，為1.41×10-2，最終主裂隙下端翼裂紋拓展至試件邊緣使得試件失穩(wěn)破壞。α=45°時，在主裂隙兩端形成了較為明顯的次翼裂紋應變局部化帶，最大應變值為3.12×10-2，最終主裂隙上端產(chǎn)生的次翼裂紋貫通至試件底部，下端產(chǎn)生的次翼裂紋向上方拓展與次裂隙貫通。α=30°時，主裂隙上端與次裂隙下端產(chǎn)生較大的應變值并形成應變局部化帶，其最大值為4.09×10-2，最終主次裂隙相互貫通使得試件失穩(wěn)破壞。α=0°時，主裂隙下端與次裂隙右端產(chǎn)生較大的應變，最大值為4.3×10-2，主裂隙上端產(chǎn)生一定的應變拓展至試件的下端，最終主裂隙下端與次裂隙貫通，上端向下貫通至試件端部使得試件失穩(wěn)破壞。α=150°時，次裂隙兩端產(chǎn)生較大的應變，均產(chǎn)生了沿翼裂紋拓展的局部應變帶，最大值為4.09×10-2，主裂隙上端產(chǎn)生了沿翼裂紋拓展方向的局部應變帶，最終試件主次裂隙相互貫通并拓展至試件端部使試件破壞。α=135°時，主裂隙下端產(chǎn)生沿翼裂紋拓展方向的局部應變帶，次裂隙上端產(chǎn)生沿次翼裂紋方向拓展的局部應變帶，最大值為4.09×10-2。最終主裂隙下端與試件端部貫通，次裂隙上端產(chǎn)生的反翼裂紋與主裂隙貫通使得試件失穩(wěn)破壞。α=120°時，主裂隙兩端產(chǎn)生沿翼裂紋拓展方向的局部應變帶，最大值為3.85×10-2，最終，主裂隙上端翼裂紋拓展至試件端部，下端翼裂紋拓展至試件端部，反翼裂紋與次裂隙貫通使得試件失穩(wěn)破壞。

4 結論

（1）裂隙角度對巖樣應力曲線的影響主要體現(xiàn)在塑性變形階段和破壞后階段，尤其是α=60°時應力曲線塑性變形階段明顯增加，破壞后應力曲線呈現(xiàn)快速跌落和階梯式跌落，但巖石試樣破壞模式均表現(xiàn)為脆性破壞。

（2）裂隙角度對巖石的峰值強度有較大的影響。當次裂隙角度小于60°，峰值強度隨次裂隙角度的增大而增大；當次裂隙角度大于60°，峰值強度呈現(xiàn)波動下降趨勢。次裂隙傾向（角度大于90°）與主裂隙傾向相同時的峰值強度比次裂隙與主裂隙傾向不同時的峰值強度小。

（3）裂隙角度的變化影響巖石的破壞模式，不同角度裂隙試樣的破壞模式略有差異。隨著角度的增加，裂隙試樣破壞模式表現(xiàn)為拉伸破壞→拉伸剪切破壞→拉伸破壞。受預制主、次裂隙影響，破壞主要為拉應力破壞形式。