双节理裂隙砂岩裂纹扩展特性试验分析

郑雪梅，张 通，祝梓航，王述红

(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁省岩土工程实验室，辽宁 沈阳 110819)



双节理裂隙砂岩裂纹扩展特性试验分析

郑雪梅1,2，张 通1,2，祝梓航1,2，王述红1,2

(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁省岩土工程实验室，辽宁 沈阳 110819)

依据尺寸为100mm×30mm×200mm的双节理裂隙长方体红砂岩试样单轴压缩下的试验结果，分析了双裂隙红砂岩裂纹扩展的特性，得到了双节理裂隙红砂岩应力-应变曲线及其与裂纹产生的相应关系，分析了不同的节理裂隙倾角及其作用下相应的双节理裂隙红砂岩试样不同的破坏过程。试验证明，在存在双裂隙的情况下，试样力学参数较完整试样显著减小，并且减小程度与裂隙的倾斜角度密切相关。随着裂隙倾角的增大，双裂隙红砂岩试样峰值强度增大，弹性模量逐渐增加，而且为非线性变化的关系。完整试样呈轴向劈裂脆性破坏，而双裂隙试样初始裂纹在裂隙的尖端附近首先产生，裂纹的延长最终导致红砂岩试样的失稳破坏。最后探讨了双裂隙试样裂纹产生的微观机制：在应力的不断提高过程中，颗粒间粘结应力消失，形成应力集中区，在裂隙尖端附近产生微裂纹，微裂纹汇集形成宏观裂纹。

裂隙倾角；裂隙扩展；破坏形态；峰值强度

1 前 言

岩石是一种复杂的天然介质，岩石缺陷是岩石中存在于矿物颗粒之间或颗粒内部的微小二维界面和三维孔隙，如颗粒边界、矿物解理、微裂隙、粒间孔隙、软弱矿物等不同程度的缺陷，这些缺陷对岩体强度和变形破坏有着重要的影响。因此，研究双节理裂隙红砂岩的裂纹扩展特性，对于确保岩石工程的稳定与安全具有极其重要的意义[1-5]。

由于人工取得的类岩石材料很难接近真实岩石材料的各种力学性质，如非均质性，边界效应以及胶结程度等，因此，研究者们都趋于通过在真实岩石材料中预制节理、孔洞、裂隙等不同缺陷来进行相关试验研究。杨圣奇、戴永浩、韩立军等[6-8]对大理岩进行了单轴压缩试验，试验前对该大理岩进行断续预制裂缝，由试验结果分析了大理岩的变形破坏与裂隙参数的关系；李银平、王元汉、陈龙珠等[9]对大理岩进行了单轴压缩试验，试验前对该大理岩进行断续预制裂缝，由试验结果分析了裂纹扩展过程和裂纹搭接的过程；杨圣奇、吕朝辉、渠涛等[6-8]对大理岩试样进行了单轴压缩试验，试验前对该大理岩预制了单个孔洞，由结果分析了大理岩的裂纹扩展特征及其对应力-应变曲线的影响规律；S.Q.Yang和H.W.Jing[10]对脆性砂岩进行了单轴压缩试验，并在试验之前预制了单裂隙，由结果分析了试样的强度和变形破坏特征，分析了裂隙的长度和倾角对试样本身强度和不同参数以及裂纹破坏的影响；谢其泰、郭俊志、王建力等[11]对砂岩进行了单轴压缩试验，试验之前在砂岩上预制了具有不同倾斜角度的单裂纹，由结果分析得到了裂纹扩展参数与砂岩力学行为的关系。目前，对含双节理裂隙红砂岩的分析较少。

由以上分析并且根据目前国内外的相关试验情况，对自然取得的红砂岩进行了单轴压缩试验。在进行相关试验之前，预制了尺寸为100mm×30mm×200mm的试样，并预制了含有不同倾斜角度的双节理裂隙。基于试验结果，分析双裂隙红砂岩裂纹扩展规律，揭示了双裂隙试样裂纹扩展机制。

2 岩性特征和试验概况

2.1 试验材料

为了研究双节理裂隙岩石试样的力学特性，如屈服强度和变形破坏等，并且由于红砂岩为细粒结构，具有相对粒度均匀统一等特性，本试验选取红砂岩进行相关试验研究。试验材料的物理力学性质指标见表1。

表1 试验材料物理力学参数

2.2 裂隙岩样制备

采集的红砂岩岩块在实验室内用高压水枪切割加工，制备成完整的长方体试样，其尺寸为：高×宽×厚=30 mm×100 mm×200 mm。

在完整的长方体岩样基础上，再预制缺陷岩样，缺陷岩样为含有不同裂隙倾角的双节理裂隙砂岩岩样。试件总数为12个，其中，结构面倾角α值分别为15°、45°、60°、75°，每组设置3个试件。

2.3 试验加载程序

本文试验均是在TYJ-500kN微机控制电液伺服岩石剪切流变试验系统控制下进行的。该试验系统是由轴向加载系统、水平直剪加载系统、计算机控制系统等部分组成。该系统可实现试样单轴加载及岩石直剪等试验，试验过程中，加载系统均采用伺服控制。轴向试验力测量范围为2-500.0kN。试验程序如下：(1)将预制好的红砂岩试样按照标准的试验方法放在岩石试验机上；(2)在岩样两端涂凡士林的位置贴上应变片，每端贴4片；(3)该试验设置了3组对照试验，其加载的方式不同，按不同速率加载，分别为0.001mm/s、0.002mm/s、0.003mm/s。

3 含双裂隙红砂岩力学特性分析

3.1 应力-应变曲线

图1-图3为单轴压缩下含不同倾角裂隙的红砂岩试验应力-应变试验曲线，其中d=0mm的岩样为无节理裂隙的红砂岩试样。由图1-图3可知，过峰值强度以后，无节理裂隙岩样发生脆性破坏，其承载能力骤减至零，这说明了该试验红砂岩试样的脆性破坏特性，如图4所示。

图1 加载速率为0.001mm/s时单轴压缩下含不同倾角裂隙砂岩轴向应力-轴向应变试验曲线

图2 加载速率为0.002mm/s时单轴压缩下含不同倾角裂隙砂岩轴向应力-轴向应变试验曲线

图3 加载速率为0.003mm/s时单轴压缩下含不同倾角裂隙砂岩轴向应力-轴向应变试验曲线

图4 岩样的脆性破坏

从图1-图3可以看出，峰值之后发生脆性跌落，而随着加载速率的增加，红砂岩试样峰值强度附近出现明显的屈服平台，这可能是由于试验加载速率增大，岩样沿裂隙周边逐步发生屈服破坏导致。由于所采用的红砂岩试样粒径相对均匀，具有较好的一致性，所以非均质性对含双节理裂隙红砂岩强度和变形参数的影响是比较小的。

图5给出了裂隙倾角对试验红砂岩试样贯通强度的影响规律，由图5可知，结构面倾角为15°时，岩样的平均贯通强度约为25MPa，结构面倾角为45°时，岩样的平均贯通强度约为30MPa，结构面倾角为60°时，岩样的平均贯通强度约为 32MPa，结构面倾角为75°时，岩样的平均贯通强度约为 48MPa。因此，随着红砂岩岩样结构面倾角的增大，岩样的力学参数增大，且由图中看出，呈非线性增大。

图5 结构面倾角与贯通强度的关系

3.2 裂纹扩展特征

图6给出了含双裂隙红砂岩试样在单轴压缩下典型的宏观破裂模式。由图6可见，含双裂隙红砂岩岩样破裂模式与完整岩样脆性破裂特征具有显著的差异，含双裂隙红砂岩试样在单向加载过程中，在裂隙附近以及裂隙尖端附近，均观察到了裂纹扩展。在外部荷载作用下，不论裂隙倾角为多少，红砂岩岩样均最先在裂隙外部尖端附近产生2条翼形拉伸裂纹，该最先产生裂纹的区域为应力集中区域。裂纹产生之后，沿着荷载施加方向分别朝岩样上下端迅速延伸。红砂岩试样所受到的轴向荷载随着轴向变形的增加而增加，红砂岩试样在预制裂隙的尖端位置产生了次生裂纹，并且向着岩样端部的方向延伸。此后，随着轴向变形的增加，导致含双裂隙岩样内部裂纹的进一步产生。岩样最终的失稳破坏导致了远场裂纹和侧向裂纹的产生。

图6 单轴压缩下含双裂隙红砂岩典型的宏观破裂模式

由于试验红砂岩试样显著的脆性破坏特性，在加载过程中，含双节理裂隙红砂岩岩样中均观察到了一些表面剥落破坏的现象，如图6所示，经分析，这可能是局部压应力集中引起的破坏。

3.3 裂纹扩展特征与宏观变形关系

图7为在单轴压缩试验后得到的试样应力与应变的曲线关系。在应力达到点a时，由于大部分应力都集中在裂隙的尖端位置，导致岩样在裂隙的尖端位置产生了2条裂纹。由图可见，这两条裂纹的迅速产生也导致变形曲线上出现了一个应力下降。

图7 单轴压缩下含双裂隙红砂岩裂纹扩展过程

此后，红砂岩的轴向应力随着轴向变形的不断增加而近似呈线性增加，裂缝的宽度从点a位置到点c位置期间发生了明显的增大。当试样的应力达到点c时，裂隙的尖端位置萌生了2条次生裂纹，这两条裂纹的产生导致了图中曲线一个显著的应力下降。该应力下降之后，变形的持续增加又使得应力开始缓慢增加，但由于岩石有局部损坏，因此应力很难进一步增加至超过峰值强度的值(图中c点)。当轴向应力达到点d时，虽然岩石仍然在继续发生变形，但应力也在不断地下降。当下降至点e时，岩样破坏，应力骤减。

经过前述分析，初步认为红砂岩的裂纹扩展与变形曲线上的应力下降是一一对应的，而且岩样内部的裂纹扩展过程也通过试样变形曲线的差异呈现。

4 结 论

(1)含双裂隙的红砂岩岩样的力学参数与无节理裂隙岩样相比均显著降低，但其降低的幅度受到裂隙倾斜角度的影响，含双节理裂隙红砂岩的峰值强度与裂隙倾斜角度成非线性变化关系，其随着角度的增大而增大。

(2)两条拉伸裂纹最先在红砂岩岩样裂隙的外部尖端位置出现，因为大部分应力都集中在该区域。裂纹出现以后，沿着轴向应力方向向着岩样的两边不断延伸。

(3)该试验探讨了含有预制双节理裂隙的红砂岩的裂纹扩展特性，分析了含双节理裂隙红砂岩裂纹扩展与轴向应力-应变曲线的关系。由该试验结果可知，岩样中的裂纹扩展与应力-应变曲线上的应力下降是一一对应的关系。

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Analysis on Fracture Propagation Characteristics of Sandstone Containing Two Pre-Existing Fissures

Zheng Xuemei1,2, Zhang Tong1,2, Zhu Zihang1,2, Wang Shuhong1,2

(1.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China;2.Geotechnical Engineering Laboratory of Liaoning Province, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Based on the uniaxial compression test results of a double fracture rectangular red sandstone sample which size is 100mm×30mm×200mm, the fracture propagation of red sandstone containing two pre-existing fissures is analyzed in the paper, and the macroscopic stress-strain relationship curve of a double fracture red sandstone and the crack propagation process are found. The influences of fissure angle on the mechanical parameters of a double fracture specimens and fracture propagation characteristics are studied in the paper. Compared with the full sample of red sandstone, the mechanical parameters of double fracture specimens decrease significantly, but the reduction degree is closely related to fissure angle. With fissure angle increases, the peak intensity of a double fracture sample increases, the elastic modulus shows a gradual increasing trend, and it is nonlinear. Double fracture specimen appears initial crack first near the tip of the crack, then, the expansion and transfixion of cracks lead to the final instability destruction of the sample, while the complete specimen is axially split brittle failure. Finally, the microscopic mechanism of fracture propagation of double fracture specimens is discussed. First, a stress concentration area forms near the tip of the crack, and the increasing of stress causes particle bond rupture and generate micro-cracks. In the transfer process of stress concentration zone, new micro-cracks are producing constantly, the collection of micro-cracks forms macroscopic crack.

fissure angle; fracture propagation; failure mode; peak strength

2016-07-06

郑雪梅(1992-)，女，山东人，本科生，所学专业为土木工程。

王述红(1969-)，男，江苏泰州人，教授，博士生导师，主要从事岩体力学与工程方面的教学和研究工作。

国家自然科学基金资助项目(51474050，51179031)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室项目(SKLGP2012K009，SKLGP2014K011)；东北大学第九批国家级大学生创新项目(150035)。

TU458+.3

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.011