预制交叉裂隙花岗岩强度特征试验

周 游 武 旭 郭奇峰 颜丙乾

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083；3.北京市市政工程研究院，北京 100037）

岩体是自然界中的一种复杂的地质体［1］。其形成会因地质构造、大气风化等作用，而在内部产生节理、层理、裂纹等众多缺陷，这些缺陷会对岩石材料的强度与破坏产生重要的影响。随着国民经济的快速发展，近年来工程规模逐渐增大，裂隙对岩土工程所造成的影响也愈发被重视。

由于在天然岩石内部预制裂隙比较困难，现有的研究以利用水泥砂浆［2-4］、石膏［5-6］等材料制备类岩石试件进行相似模拟试验的研究居多。此外，利用数值模拟软件对含裂隙岩体进行的研究［7-10］也较多。相似模拟试验具有试件简单易制备，便于观察裂纹产生与扩展等优点，数值模拟试验相较于室内力学试验具有效率高、费用低、参数控制方便、条件控制准确等优点。但以上2种试验手段均难以模拟出天然岩石的脆性、非均质特性等特点，因此得出的强度尤其是破裂特征的结论难免不够可靠。

近年来，研究者在天然岩石中预制不同数量与分布形态的裂隙，对其强度与破裂特征已经有了一定的研究［11-13］。但目前对工程中常见的交叉裂隙岩石开展的研究仍局限于相似模拟［3-5］与数值模拟［8］，缺少天然岩石试验研究。工程中常见的Ⅳ级结构面以交错裂隙居多，影响岩体完整性和物理力学性质［14］，对工程稳定性与施工人员安全造成严重威胁，故开展交叉裂隙岩石的强度与破裂特征研究便显得尤为重要。

本项目以天然花岗岩为研究对象，规避了相似材料试验研究与数值模拟研究的不准确性，使用高压水刀与金属线切割设备在花岗岩试件内部预制不同角度组合的主次裂隙，通过单轴压缩试验，探究交叉裂隙花岗岩的强度特征，以期对矿山井下工程的设计与稳定性维护产生一定的指导作用。

1 试验方案

1.1 裂隙设计

本实验选取的岩样为细粒花岗岩，矿物成分主要为石英、长石、云母等。按照国际岩石力学学会（ISRM）推荐的试件制备标准，对现场取得的岩石进行切割，加工制备成直径50 mm，高100 mm的标准圆柱体试件。设计花岗岩试件的预制裂隙为贯穿试件厚度的裂隙，主裂隙长度20 mm，次裂隙长度15 mm，裂隙宽度均为0.3 mm。将不同工况的试件编号为AA-BB，其中AA为主裂隙与加载方向的夹角，BB为主次裂隙之间的夹角，如图1所示。

为了分析交叉裂隙中裂隙长度、倾角、夹角对岩石强度的作用关系和影响程度，共设计了25种试验工况。裂隙贯穿试件中心，主裂隙长度20 mm，角度AA分别为0°、30°、45°、60°、90°（顺时针方向），次裂隙长度为15 mm，与主裂隙的夹角BB分别为0°、30°、45°、60°、90°，裂隙宽度均为0.3 mm。

1.2 试件制备

为保证试验精度，使用高压水刀钻出中心圆孔，直径约2 mm。文献［15］对含2 mm中心圆孔的花岗岩试件与完整花岗岩试件设置对照组试验进行单轴压缩，对获得的力学参数进行对比，发现2种试件在强度上没有产生明显差别，故认为2 mm的中心圆孔对岩石单轴抗压强度没有本质影响。在制作完成中心圆孔后，采用金属线切割机床加工裂隙，保证裂隙角度与宽度精确。图2所示为加工制备好的25种工况花岗岩试件。

2 交叉裂隙对岩石强度的影响

采用北京科技大学土木与资源工程学院的GAW-2000型电液伺服刚性压力机对试件进行单轴压缩，持续加载直至试件破坏，采用位移控制的方式，加载速率为0.03 mm/min，将数据采样的间隔时间设置为0.5 s。

开启压力机，将试件放置于金属垫板上，按轴向位移加载直至试件破坏，试件在加载过程中的轴向应变及所受载荷由计算机自动采集，同时使用美国物理声学公司PAC所生产的PCI-2型声发射监测系统进行声发射信号的采集。通过声发射系统监测花岗岩试件起裂至破坏全过程的破裂信号，结合采集到的应力—应变曲线综合分析，准确定位花岗岩试件的起裂应力与峰值应力等力学指标。

2.1 含交叉裂隙试件的峰值强度分析

对完整试件及25种工况试件进行单轴压缩，图3为25种工况试件的应力—应变曲线，表1为全工况试件的力学参数具体数值。图3、表1中试件工况如00-60表示AA为0°、BB为60°，其他类推。

根据表1、图3可得，不同工况下，花岗岩试件的峰值强度、弹性模量、峰值应变相差较大，应力—应变曲线也有很大的差异，说明岩石中裂隙的角度对其强度特征具有很大的影响。图4为25种工况下交叉裂隙试件的峰值强度横向对比图。

如图4所示，当AA为0°与30°时，试件的峰值强度普遍高于其他组试件。AA为0°时，00-00（主次裂隙重合）试件的峰值强度最大，随次裂隙倾角增加，岩石强度先降低后增加。当主次裂隙正交时，强度最低，为47.91 MPa，仅为完整试件强度的20%。

如图4所示，AA为30°时，试件的峰值强度均较高，与30-00试件相比，交叉裂隙试件的强度均低于单裂隙试件，次裂隙的存在增大了岩石的损伤程度，使其更容易破坏。AA为45°时，试件的强度较低，且波动较大，随次裂隙角度的增加而先增后减再增，45-45试件强度最低，推测是由于垂直于加载方向的次裂隙起到了主控作用。

AA为60°时，试件的平均强度为41.53 MPa，仅为完整试件强度的18.1%，是强度最低的一组试件。当BB为60°时，试件强度为25.23 MPa，仅为完整试件的11.01%。AA为90°时，试件的强度普遍较低。本组试件主裂隙与加载方向垂直，随着次裂隙角度的变化，岩石峰值强度变化幅度仅为13 MPa，波动最小。裂隙几何形态相近的00-90试件与90-90试件相比，峰值强度为47.91 MPa和41.04 MPa，可见当交叉裂隙中存在一条水平裂隙时，无关是否为主裂隙，试件的强度均较低，其破坏主要受该水平裂隙控制。

图5为AA=0°的试件与单裂隙试件的强度比较图，单裂隙试件指BB为0°的试件，图中横轴的“角度/（°）”指AA为0°试件的BB与单裂隙试件的AA。可看出，主裂隙为0°时，试件的强度变化与单裂隙试件强度变化规律接近，均随裂隙与垂直方向夹角增加而呈降低趋势。由此可判断AA为0°时，交叉裂隙中的主裂隙对试件强度的影响非常小，此时可将交叉裂隙试件简化为仅有次裂隙存在的试件。单裂隙试件裂隙更长，对试件的强度削弱更大，故单裂隙试件强度略低于AA为0°的试件。

将AA相同的试件编为一组，计算其平均强度。图6为单裂隙试件与AA相同的一组试件平均强度的比较，可看出，单裂隙试件强度与AA相同的试件平均强度变化规律大体相同，随AA增大而呈降低趋势。AA为0°时，同组试件平均强度显著低于单裂隙试件，次裂隙的存在对岩石的削弱作用较大。AA为30°～90°时，虽然BB变化一定程度上会影响岩石试件的强度而产生波动，但从同组试件平均强度上看，其引起的变化很小。

2.2 含交叉裂隙试件的起裂强度分析

岩石内部存在着大量细观缺陷，在应力集中作用下容易产生微裂纹，其萌生和起裂可看作是岩石渐进破坏过程的起点［16］。微裂纹的存在使裂纹尖端容易产生应力集中，岩石极易产生进一步的破坏。探究岩石的起裂强度有助于工程中预防岩石起裂及起裂后的进一步破坏。

本试验使用声发射法确定岩石起裂强度，采用声发射设备同步记录裂纹起裂信号，确定起裂时刻，根据应力—时间关系对应到相应的轴向应力值，即为试件的起裂应力值。在微裂隙压密和线弹性阶段，振铃计数约为零，基本无声发射事件产生。岩体在受力过程中，随着新生裂纹的萌生，局部应变能迅速释放，形成声发射信号，因此可根据岩体受压过程中不同阶段声发射撞击率随时间的变化，判定起裂应力和损伤应力特征值，所以振铃次数的突增点可被视作岩石中裂隙的起裂时刻。

由图7得到，约550 s时声发射振铃次数激增，为试件的起裂时间，对应到应力—时间关系中，起裂强度为87.01 MPa。约1 000 s时，振铃次数归零，结合图3（a）中对应的应力—应变曲线可发现，达到峰值应力后，试件直接产生破坏，没有产生峰后破坏，其破坏时间与应力-时间关系中的破坏时间也可对应上。因篇幅所限，不再列出所有声发射—时间关系图，将所有工况试件的起裂强度数据汇总于表2。

为探究起裂强度与峰值强度之间的关系，将AA相同的试件编为一组，作出随BB变化，峰值强度与起裂强度之间的变化关系对比见图8。可看出，当AA相同时，随BB的变化，峰值强度与起裂强度的变化波动规律大致相同，成正相关关系。AA为0°时，主裂隙与加载方向平行，对试件的破坏起到的作用很小，起裂强度随BB变化而持续降低。AA为30°时，起裂强度相对平稳，波动很小。AA为45°时，起裂强度同峰值强度一样，波动比较大，45-45试件的起裂强度最小。AA为60°时，起裂强度波动较大，同峰值强度一致，60-60试件的平均起裂强度为所有工况中最小。AA为90°时，起裂强度相较峰值强度波动更大，起裂强度最小的试件也与峰值强度所对应的不同，但两者整体波动规律接近。

图9为单裂隙试件与AA相同的一组试件平均起裂强度的比较，可看出，单裂隙试件起裂强度与AA相同的试件平均起裂强度变化规律大体相同，为随AA增大而降低。除AA为0°时，单裂隙试件的起裂强度与AA相同组试件平均值均较接近，可看出，次裂隙的存在对岩石起裂应力的影响很小。

3 结论

（1）主裂隙平行于加载方向时，试件的峰值强度与起裂强度普遍较大且均随裂隙角度增加而呈降低趋势，交叉裂隙中的主裂隙对试件强度的影响非常小，试件的破坏主要受次裂隙控制，可将交叉裂隙试件简化为仅有次裂隙存在的单裂隙试件。

（2）主裂隙不平行于加载方向时，试件的峰值强度与起裂强度相对较低。虽然次裂隙的角度变化一定程度上会使岩石试件的强度产生波动，但从同组试件平均强度上看，其引起的变化很小。

（3）主裂隙相同时，随次裂隙角度的变化，峰值强度与起裂强度的变化波动规律大致相同，成正相关关系。

（4）主裂隙相同组试件平均的峰值强度与起裂强度均随裂隙角度增加呈降低趋势，同单裂隙试件相对应的峰值强度与起裂强度相接近。