含软弱结构面石灰岩巴西劈裂破坏模式研究①

李子旋，雷 涛，2，叶海旺，2，赵 昀，王其洲，2，李立峰，2

（1.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉430070；2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430070）

岩体结构中存在着大量的层理、节理以及裂隙等软弱结构面，这些结构面的存在会对岩体的破坏机制产生重要影响［1］。当岩体受到拉伸作用时，由于结构面极易发生拉伸破坏，其分布特征和力学条件在一定程度上会对岩体的拉伸破坏具有控制性作用。近年来，国内外学者对含结构面岩石的劈裂破坏特性的研究主要从以下几个方面展开：通过数值模拟和室内试验，研究了岩石劈裂强度和破坏模式随层理夹角的变化规律［2－5］；结合岩石力学和弹性力学理论，研究了岩石在不同层理倾角下破坏的力学解析解和发生破坏的判别条件［6－8］；从能量角度研究了岩石破坏过程能量随层理角度的变化规律［9－10］。上述研究在揭示含结构面岩体的拉伸破坏规律和机理方面取得了很多有价值的成果，但是这些研究针对的主要是胶结程度较好的层理面，而对含有泥质、碎屑等软弱充填物结构面岩体的研究相对较少。基于此，本文选取矿山现场的含软弱结构面石灰岩，制作成含有不同结构面倾角的试样，通过室内劈裂试验研究不同条件下石灰岩劈裂破坏模式，为进一步完善含结构面岩体的力学特性和破坏机理提供基础数据。

1 试验设备及方法

本次试验试样为湖北省秭归县某水泥用矿山的石灰岩，经过切割、钻孔、打磨，得到厚度为25 mm、直径为50 mm 的圆盘试件，其上、下两端面不平行度小于0.1 mm，端面与侧面垂直角度误差不超过0.25°，符合岩石力学试验规程标准。

试验所用加载设备为TAW—2000 微机控制三轴试验机，该试验机最大竖向加载力为2 000 kN，加载位移精度±0.5%FS，位移分辨率5 μm。试验前，按实际需求在试样上粘贴多组应变片，加载时，同步采用DH3816N 静态应变测试系统进行应变数据的采集。

试验时，规定软弱结构面倾角θ 为结构面方向与水平方向的夹角，如图1 所示。为了研究结构面倾角变化对试样破坏的影响，按照θ 为0°、15°、30°、45°、60°、90°将试样分为6 组，每组3 个试样。试验加载时，先以0.5 mm／min 的位移控制加载到200 N，再以50 N／s 的荷载控制加载，直到试样发生破坏。

图1 结构面倾角的规定

2 试验结果分析

2.1 不同倾角结构面劈裂破坏的应变分析

为了研究石灰岩的破坏特征，试验时，在圆盘试样上粘贴应变片，通过分析应变片所测得的应变变化来进行探究。综合每组试验应变片所测得的数据，选取其中具有代表性的3 种情况。图2 为3 种圆盘试样的应变片布置图，图中虚线代表加载方向，实线代表软弱结构面所在位置，图3 为圆盘上各应变片所测得应变-时间曲线。

图2 应变片布置

图3 不同结构面倾角下石灰岩的应变-时间曲线

由图3（a）可知，1、2、3 号应变片主要测量水平方向的应变，4、5、6 号应变片主要测量竖直方向的应变。开始阶段，各应变片应变数值都在增加，但1 号应变片增长明显更快，这说明岩石试样在受拉破坏时，是先在上端发生破坏，后逐渐向下扩展，以形成贯通的裂缝。在加载后期，1 号应变片的应变数值又突然增加，这是因为在加载过程中，主裂纹右侧的次生裂纹进一步扩展，形成了一条通过1 号应变片的裂缝。由图3（a）局部放大图还可以看到，2 ～6 号应变片在曲线末端都有一段发生突然变化的部分，其中3 号和5 号最为明显，这是因为随着岩石试样竖直拉裂纹的产生，继续加载时，由于结构面强度较低，而岩石中间压应力又较大，岩石绕结构面中心发生转动，水平软弱结构面受到拉应力并在其两端发生拉破坏，随后逐渐向中间扩展，形成贯通的拉裂缝。

由图3（b）可知，1、2、3 号应变片主要测量水平方向的应变，4、5、6 号应变片主要测量竖直方向的应变。开始阶段，各应变片应变数值都在增加，但4、5、6 号应变片增长得更快，这主要是因为4、5、6 号应变片连线正好是试件受拉开裂的裂缝所在，而4 号的增长速度又明显高于5 号和6 号，这说明岩石试样在受拉破坏时，是先在上端发生破坏，后逐渐向下扩展，以形成贯通的裂缝，这可能与加载方式有关（加载泵控制夹具上升，其与上端压板接触时，试样上端先受力）。7 号和8 号分别位于裂缝两端，而8 号又位于竖直开裂缝上，因而其应变变化相对更为明显，岩石在发生沿中心线的开裂破坏后，继而发生沿软弱结构面的剪切滑移破坏，因而，7 号应变片的变化很小。

由图3（c）可知，1、2、3 号应变片主要测量竖直方向的应变，4、5、6 号应变片主要测量水平方向的应变。其中，3 号应变片变化较明显，这是因为3 号应变片位于软弱结构面上，随着加载力逐渐增大，沿结构面方向的滑移力逐渐增大而大于其抗滑力，岩石沿结构面发生滑移破坏，当滑移面经过3 号应变片时，应变片突然受压，因而其应变值在曲线末端又突然增大。7 号和8 号应变片都位于软弱结构面右侧，又位于试样中心，因而加载时，主要受拉应力，又试样并未发生沿中心的拉裂破坏，因而应变值较小。

当θ＝90°时，软弱结构面方向与加载方向一致，加载时，由于软弱结构面物理力学性质很差，当夹具与上端固定压板一接触，岩石很快就会发生破裂，导致应变片来不及采集数据。这说明了结构面中充填物力学性质很差，其抗拉强度较小。

2.2 软弱结构面对劈裂破坏模式的影响

图4 为石灰岩试样的破坏结果，岩石试样的破坏过程可以总结为以下4 种破坏模式。

图4 不同结构面角度下的石灰岩破坏试件

1）拉裂-拉裂破坏。如图4（a）、（b）所示，当θ ＝0°和15°时，发生此种破坏。加载初期，结构面所受剪应力很小，不会发生剪切破坏，而试样中心岩石基质所受拉应力逐渐增大，先达到岩石的抗拉强度发生开裂，形成贯通的竖直裂纹，随着加载继续进行，结构面两端发生拉破坏，从而形成沿结构面方向的水平裂纹。

2）拉裂-滑移破坏。如图4（c）所示，当θ＝30°时，发生此种破坏。加载时，结构面上产生的法向力较大，而沿结构面方向的滑动力较小，从而抑制了滑移的发生。随着加载进行，试样中心受拉首先发生开裂，这导致结构面处的抗滑力瞬时降低，随后便发生了滑移破坏。

3）沿结构面的滑移破坏。如图4（d）、（e）所示，当θ＝45°和60°时，一般发生此种破坏。加载时，沿结构面方向的力大于其法向方向的力沿结构面的分力，因此试样首先会产生沿滑动面滑移的趋势，而产生微小的滑移，随着进一步加载，加载力沿结构面方向的分力大于结构面的抗滑力，而此时岩石基质受到的拉应力小于岩石的抗拉强度，从而只发生沿结构面的剪切滑移破坏。

4）沿结构面内软弱充填物的拉裂破坏。如图4（f）所示，当θ＝90°时，竖向主裂纹沿着软弱结构面发展，可以认为是软弱结构面内的充填物所受拉应力超过其抗拉强度，而发生破坏，形成贯通的竖直裂纹。此时，所求得的“抗拉强度”可以认为是石灰岩和充填物交界面的抗拉强度。

石灰岩的4 种破坏模式如图5 所示，图中实线代表软弱结构面，虚线代表圆盘最终的破坏裂纹，箭头代表圆盘试件的破坏类型。

图5 石灰岩的4 种破坏模式

3 讨 论

当圆盘试样中的结构面为胶结较好的层理面时，由于层理面和岩石基质胶结较好，可以利用单弱面理论，并结合摩尔-库伦破坏准则来进行解释。分析时，将圆盘中心点的应力进行分解，可求得剪切破坏面上正应力和剪应力的公式，再联立Claesson 等［11］提出的横观各向同性巴西圆盘中心的应力公式，建立方程即可求得剪切破坏面处的正应力和剪应力，最后根据摩尔-库伦准则，得到圆盘沿层理破坏和沿基质破坏的判别条件。

刘运思等［8］利用上述理论，并结合如图6 所示的应力莫尔圆，对岩石中弱面的破坏条件进行了分析，认为当θ2≤θ≤θ1时，层理面应力点M 位于层理面强度曲线之上，圆盘发生层理面的剪切破坏；而当0°≤θ≤θ2或θ1≤θ≤90°时，M 点位于强度曲线之下，层理不发生剪切破坏，圆盘发生拉裂破坏。并据此得出板岩的几种破坏模式：当0°≤θ≤15°时，为基质的拉裂破坏；当30°≤θ≤60°时，为结构面的剪切破坏；当75°≤θ≤90°时，为结构面的拉裂破坏。

图6 层理面的应力莫尔圆

当圆盘试样中的结构面为含有泥质、碎屑等充填物的软弱结构面时，由于软弱充填物和岩石基质胶结程度较差，其对圆盘试样的破坏模式的影响也不尽相同。结合图4～5，可知，当θ ＝90°时，为结构面的拉裂破坏；当45°≤θ ≤60°时，为结构面的剪切破坏；当0°≤θ≤30°时，圆盘试件都有基质的拉裂破坏。这与层理对圆盘破坏机制的影响是相同的，可运用上述理论进行解释。

但当0°≤θ≤15°时，圆盘试样除了有基质的拉裂破坏，还有结构面的拉裂破坏，这是因为此时结构面方向的剪应力小于其抗剪强度，因而不会发生沿结构面的剪切破坏。随着加载进行，岩石基质受到的拉应力超过其抗拉强度，首先发生基质的拉裂破坏，形成贯通的竖直裂纹，此时，圆盘试样被分割成两个独立的个体，当继续加载时，由于软弱结构面的存在，可分成如图7（a）所示的①②③④部分，图7（b）为①部分的受力图，其中Fa为②部分对其的压力，Fb为结构面与岩石基质之间的粘结力，Fp为加载下颚对其的压力。由材料力学理论，①部分在A 点受到的力矩为：

其中：Fp1＝Fpsinθ。

图7 结构面拉裂破坏机理

由于岩石基质与结构面的胶结程度较差，随着加载力增加，Fp1h 很快就会大于Fbs，从而M＞0，岩石绕A 点逆时针转动，结构面受到拉应力，首先在B 点发生拉破坏，并逐渐向内扩展，形成沿结构面的贯通裂纹。此时，由于结构面倾角θ 较小，在结构面方向的分力Fa1小于其抗滑力，因此不会发生沿结构面的滑移破坏。

当θ＝30°时，圆盘试样除了发生基质的拉裂破坏，还发生结构面的拉裂和剪切破坏。其破坏过程如图8所示，首先是岩石基质受拉发生破坏，形成竖直裂纹，随着继续加压，与图7 类似，岩石各部分分别绕A 点和C 点转动，结构面受到拉应力，并在两端发生拉裂破坏，形成沿结构面方向的裂纹，此时由于结构面发生了部分破坏，其内充填物的粘聚力减小，导致其抗滑力减小，随着加载力继续增加，当沿结构面方向的剪切力大于抗滑力时，就会发生结构面的剪切滑移破坏。

图8 θ ＝30°试件破坏过程

4 结 论

1）随着软弱结构面倾角变化，试样的破坏模式主要有4 种：当θ ＝0°和15°时，试样发生基质的拉裂破坏，形成竖直的贯通裂纹；当θ ＝30°时，试样先发生基质的拉裂破坏，随后在结构面两端发生拉裂破坏，最后发生沿结构面的剪切滑移破坏；当θ ＝45°和60°时，试样发生沿结构面的剪切滑移破坏；当θ＝90°时，试样发生结构面的拉裂破坏。

2）当θ＝45°、60°和90°时，软弱结构面对岩石试样劈裂破坏模式的影响与层理面类似，岩石的破坏机理相似；但当θ＝0°、15°和30°时，岩石的破坏机理更为复杂。