不同单一裂隙倾角对岩体破坏特征的影响

崔景昆 ，吴东涛 ，张 浩 ，洛 锋 ,2，王 凯 ，郭利军

（1.河北工程大学，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭矿井建设工程技术研究中心，河北 邯郸 056038）

岩体是一种充满了各种不连续面的地质材料，节理就是这种不连续面的典型代表，节理岩体强度不仅受岩石和节理力学性质的影响，而且也受到节理几何特征的影响（如数量、方向、间距等）[1]，裂隙的扩展和贯通致使岩体失稳发生破坏，将会给人类工程的安全建设与维护带来巨大的威胁。国内外众多学者对于节理岩体力学性能进行了大量试验研究，并且取得了很多具有非常重要意义的结论与成果。Griffith[2-3]在20世纪早期对存在裂隙岩体的研究做出了巨大的贡献，并最早证实了含有裂纹的脆性材料的破坏模式与完整脆性材料相比有着巨大的差别，认为岩体存在裂纹是造成这种差别的主要因素。Brace等[4]最先应用单轴压缩对存在裂纹的脆性岩石试件进行了试验，其试验发现，早期预制裂纹会发生扩展并且在其原来位置上发生偏移轨迹，裂纹偏离后的角度大约为70°左右。Peng和Johnson[5]、Sangha等[6]通过大量试验，得出了试样破坏前裂隙的扩展规律，即裂隙的长度会随着继续扩展而增加；次生裂纹的产生与发育由外载荷而决定。Myung Sagong[7]针对岩体中的隧道施工通过集中原位应力和施工活动（如爆破）在隧道周围造成破坏，自制节理岩石对其进行双轴压缩试验与数值模拟分析，研究了节理角度对节理岩石开口周围岩石断裂和节理滑动行为的影响。李术才、张波[8-10]针对含有充填材料的节理岩体以及自制交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验，并对试件的断裂损伤机理进行了深入研究。周辉等[11]针对不同尺寸和位置的不规则变化裂隙试件进行直剪试验，根据结果为现场岩体施工提供了指导。王培涛[12]利用3D打印技术自制裂隙岩体，更加直观的看到岩体内部裂隙的存在情况，并通过对其进行单轴压缩试验特性进行了初步探索。众多学者的研究表明，大多为参数影响节理岩体破坏。由于在物理模型中复制节理的困难，大部分研究都集中在小型试件上做数值分析，对于裂隙倾角不同对试件影响程度没有详细的物理测试结果可以找到。为此放弃小型试件，拟采用大尺寸方形试件，研究其不同裂隙倾角对岩体破坏特征的影响。根据实验结果，得出的有益结论对在今后的工程实践发展具有重要的指导意义。

1 物理试验设计

模型条件及试验装备。单轴压缩载荷应用于由1种新型改型橡胶粉水泥砂浆相似材料制成的岩石样模型，相似材料由水、砂、防水剂、水泥、减水剂、橡胶粉按照一定的配比混合而成。样品的制造过程如下：①将材料放在搅拌机中混合5 min；②将混合的相似材料倒入自制钢模中以便在试件内部铸造裂隙；③将配比好的混合材料的钢模振动2 min以使试样内的气泡最小化；④将钢带插入混合物中以产生预制裂隙表面，并将其留在内部24 h；⑤取下钢带部分固化的混合物在恒温箱中放置8 d。采取大型试件，其试件的尺寸为 W×T×L＝150 mm×150 mm×300 mm。直接剪切试验采用自动监测系统进行，试验设备如图1。

图1 试验设备

2 试验结果分析

2.1 完整试件单轴压缩应力应变曲线分析

为了使存在裂隙岩体的破坏特征清晰、明确，首先要对无裂隙试件在单轴压缩过程当中的破坏情况进行分析。完整试件应力应变曲线如图2。试件在压缩过程中，曲线整体较为稳定，峰前弹塑性性质表现较为明显。在压密阶段内曲线微微向上弯曲，主要是由于试件内部并不是完全的呈现出均质性，而会存在着一些初始的微裂隙，这期间试件中初始的微裂隙受到压力不断闭合，试件的强度在逐渐增强。当应力达到26.53 MPa，达到峰值。峰后塑性变形能力增加，试件整体的强度出现了大幅度降低，由于试件内部的裂隙发育已经成型，呈现出宏观破裂，导致试件整体发生破坏而变得不完整。

图2 完整试件应力应变曲线

2.2 含有裂隙倾角试件单轴压缩应力应变曲线分析

试件应力应变曲线图3。裂隙倾角为0°，如图3（a）的试件在单轴压缩过程中，通过与完整试件应力应变曲线对比，试验表明：2条应力应变曲线的弹性压缩阶段，含有0°倾角的水平裂隙试件的斜率要小于完整试件，这是因为试件中含有裂隙之后，使得试件存在了弱面，进而试件的整体承载能力下降。

裂隙倾角为30°试件，如图3（b）的应力应变曲线，其先达到1个小峰值，而后呈现峰值，这是因为试件内部的原始损伤在不断地压缩之后闭合重新开始发育，使得试件整体的承载能力降低。曲线在峰后又出现2次跌落和小幅度的提高，这说明试件在达到峰值之后，其内部的裂隙又经历了多次的闭合与发育。

45°预制裂隙试件，如图3（c），整个压缩过程中应力应变曲线较为稳定，没有出现强烈震荡现象，呈现出良好的弹塑性性质。在应力10.45 MPa时呈现峰值，峰后试件卸载卸压比较迅速。

当预制裂隙为60°试件，如图3（d）的应力应变曲线，达到第1个峰值之后出现多次震荡（多次峰值），说明在该试样内部微裂隙发生闭合与新裂隙的产生次数也有所增加，使得试件整体的承载能力忽强忽弱。

预制裂隙为90°试件，如图3（e）的曲线，在压密阶段出现了突变点，这是由于在试件压实过程中，其内部的初始损伤发生了变化，使试件整体的承受载荷能力受到影响，导致试件在初始加载过程中应力出现微妙的下降。

图3 试件应力应变曲线

2.3 预制裂隙试件单轴压缩破坏特征

对裂隙试件进行压缩时主要生成翼裂纹与反翼裂纹（次生裂纹），最早出现的是沿着预制裂隙面产生的翼裂纹，主要为张拉破坏，随之出现次生裂纹导致剪切破坏。本试验过程中预制裂隙试件破坏主要为翼裂纹与反翼裂纹（次生裂纹）共同生成且发育良好所引起的剪切破坏和试件两侧引发的竖向劈裂破坏（张拉破坏），试件破坏特征如图4。

图4 试件破坏特征

1）0°试件,压缩过程中，裂隙面受压导致沿预制裂隙面发生多处断裂，如图4（a），翼裂纹较为明显、完整且翼裂纹与次生裂纹发育良好，形成扩展角65°。试件破坏主要为翼裂纹与反翼裂纹（次生裂纹）共同生成且发育良好所引起的剪切破坏和试件两侧引发的竖向劈裂破坏（张拉破坏）。

2）30°试件受压缩后裂隙面不仅出现翼裂纹与次生裂纹，而且试件的侧面均出现较为明显的劈裂纹，发育程度非常充分，该试件的破坏是由剪切破坏与竖向劈裂破坏共同导致，如图4（b）。

3）45°试件，两端均产生微裂隙，在预制裂隙面中与0°、30°相比，其翼裂纹与次生裂纹更加明显发育程度更加完整，如图4（c）。该试件主要是由翼裂纹与反翼裂纹（次生裂纹）共同生成且发育良好所引起的剪切破坏。由预制裂隙面破坏引发扩展角的扩大而引起的试件两侧微裂隙开始萌生与发育，发育程度不明显。

4）对于60°试件，整体破坏严重，翼裂纹发育程度非常高，而次生裂纹发育程度比0°、30°试件更加明显，在与预制裂隙面相垂直的侧面中形成竖向裂纹。在试件整体破坏之前，整体发育程度相对前几种裂隙倾角试件要高很多，如图4（d）。

5）对裂隙倾角为90°试件进行压缩，预制裂隙面上翼裂纹出现的是微乎其微，而次生裂纹的产生并没有前4个试件那么明显，事件破坏不明显，预制裂隙面对试件整体破坏影响微弱，如图4（e）。

2.4 预制不同裂隙倾角对试件单轴抗压强度的影响

预制不同倾角试件的单轴抗压强度曲线如图5，完整试件在进行单轴压缩时其抗压强度为26.53 MPa。预制裂隙倾角 α 为 0°、30°、45°、60°、90°时，其单轴抗压强度分别为15.97、13.19、10.45、10.50、19.26 MPa，其中当裂隙倾角α为0°时，单轴压缩强度下降幅度很大，完整试件较有裂隙的试件对其单轴抗压强度有很大的影响；裂隙倾角α为30°时，单轴抗压强度再一次下滑；裂隙倾角为45°时，试件单轴抗压强度最低；当裂隙倾角α为60°时，与45°试样相比，出现微妙的变化只高出0.05 MPa，而倾角为45°试件的单轴抗压强度又比倾角为0°、30°试件低，因此可以猜想在裂隙倾角为30°与45°试件之间存在对完整试件单轴抗压强度最小的角度；当裂隙倾角为90°时，与完整试件的单轴抗压强度差距不是很大，对岩体的强度影响不是很大，这对在今后的工程实践发展中具有重要的指导意义。

图5 单轴抗压强度与倾角的关系

3 结论

1）在单轴压缩下，完整试件与含有裂隙试件相比，含有裂隙试件的强度远低于完整试件。

2）预制裂隙倾角影响着裂隙的发育程度，通过试验结果将裂纹发育程度从大到小排列依次为：60°、45°、0°、30°、90°。

3）不同预制裂隙倾角试件的单轴抗压强度曲线近似成倒U型，并且预制裂隙的倾角在30°与45°之间存在着对试件强度影响最大的角度。