單軸壓縮下單裂隙類巖石強度變形特性分析

肖桃李

(長江大學城市建設學院，長江大學巖土力學與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何祥鋒，汪宗華，張萬強，田永鋒

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

巖石是一種復雜的天然地質介質。在地質構造作用下，巖石中孕育了各種尺度的缺陷。實際工程中，缺陷的存在對巖石的力學特性和破壞特性有顯著影響，使工程的結構安全穩定性設計與施工面臨著諸多難題。近年來，許多專家在不同條件下對含裂隙巖體的力學特性和變形破壞規律作了大量的試驗研究。王輝等[1]對含單裂隙巖石試樣的破壞過程進行數值模擬研究，結果發現試樣破壞經歷了裂隙的壓密、微裂紋的萌生、擴展及斷裂破壞4個階段；楊圣奇等[2]對含2條共面預制裂隙脆性砂巖的裂紋擴展進行試驗研究，確立了試樣裂紋擴展過程與宏觀應力應變曲線的關系；蘇海鍵等[3]對含預制縱向裂隙的砂巖進行力學特性試驗研究，試樣峰值強度和峰值應變隨裂隙長度的增大而先增大后減小，試樣主要發生劈裂破壞；肖桃李等[4]對含預制特定幾何參數的單裂隙類巖石試樣進行三軸壓縮試驗研究，觀測到3種新裂紋(拉伸裂紋、滑移裂紋、撕開裂紋)和3 種破裂模式(拉剪復合破壞、“X”型的剪切破壞、沿裂隙面的剪切破壞)，且試樣的裂隙擴展規律與預制單裂隙關系密切；郭彥雙等[5]對張開型表面裂隙輝長巖進行試驗研究，建立了裂紋傾角與起裂應力之間的關系；李樹忱等[6]對含不同傾角的單裂隙類巖石試件峰后變形進行試驗研究，發現了應力-應變曲線的多峰現象，給出了不同裂隙傾角試樣的破壞模式；王衛華等[7]研究節理傾角對試樣強度的影響規律,節理間距不變時，試樣的強度隨節理傾角變化呈V字形 ，45°時強度最??；戴永浩等[8]對預制斷續裂隙脆性大理巖進行試驗研究，大理巖變形呈現出局部漸進破壞特征，其峰值強度、彈性模量及峰值軸向應變均明顯降低，降低幅度與預制裂隙參數分布形式有關。筆者以含預制裂隙的高強硅粉砂漿試樣為模型，以單軸壓縮試驗為手段，對含有特定幾何參數的單裂隙巖體的強度變形特征進行全面的分析。

1 試驗方案

采用高強硅粉砂漿材料制作類巖石模型試樣，采用厚0.4mm的高強薄鋼片制作預制貫穿單裂隙。根據材料配比試驗，確定試樣的材料配比為普通#42.5硅酸鹽水泥∶高強硅粉∶鐵粉∶石英砂∶高效減水劑∶水=1.00∶0.13∶0.25∶0.80∶0.01∶0.40(質量比)，其中，石英砂的粒徑小于等于60μm，減水劑為XC-100A聚羧酸系高性能減水劑。試樣采用標準圓柱體，尺寸為?50mm×100mm。預制裂隙長度為6、12、18、24mm；預制裂隙傾角為0、15、30、45、60、75、90°，完整試樣和單裂隙試樣模型如圖1所示。試驗中制作了3組試樣，采用格魯布斯檢驗法得到符合試驗要求的合格試樣，如圖2所示。其中編號B2445-2，表示裂隙長度為24mm，裂隙傾角為45°，第2組試樣。單軸壓縮試驗使用的儀器為WAW-1000B微機控制電液伺服萬能試驗機，如圖3所示。

圖1 完整試樣和單裂隙試樣模型示意圖

圖2 制作好的合格完整試樣及單裂隙試樣

2 試驗結果分析

2.1 傾角對試樣強度及變形特性的影響

不同裂隙長度下各裂隙傾角單裂隙類巖石試樣的平均峰值強度變化曲線如圖4所示。

圖3 WAW-1000B微機控制電液伺服萬能試驗機 圖4 不同裂隙長度下各裂隙傾角試樣的平均峰值強度

由圖4可知，當裂隙長度為6、12、18mm時，試樣的峰值強度隨著傾角的增大整體近似呈現出先減小后增大的趨勢；當裂隙長度為24mm時，試樣的峰值強度隨著傾角的增大呈現出遞增的趨勢。且隨著裂隙長度的增大，試樣峰值強度最小值對應的傾角逐漸減小。隨著裂隙長度的增大，傾角的變化對試樣峰值強度的影響程度逐漸增強。以0.5kN/s的定量恒速荷載壓縮試樣，加載前期試樣表面未觀察到裂紋的出現。當軸向抗壓強度即將達到峰值前，試樣開始萌生一系列的新裂紋，并在強度達到峰值的瞬間向遠處迅速擴展至試樣的端部，試樣被壓碎斷裂破壞，同時伴隨著清脆的崩裂聲。單軸壓縮下試樣整個破壞過程與加載過程獲取的應力-應變曲線的走向變化特征較為相符。

單軸壓縮作用下裂隙長度為12mm時，不同單裂隙傾角(0～90°)類巖石試樣的裂隙萌生及擴展過程如圖5所示。

圖5 裂隙長度為12mm時各傾角試樣裂隙萌生及擴展過程

由圖5可知，由于試樣的非勻質性，完整試樣在單軸作用下會隨機萌生一系列貫穿性拉伸裂紋，發生壓縮破壞；當裂隙長度為12mm時，傾角為0～75°的試樣在恒速定量荷載作用下均會沿著軸向應力方向產生1條從試樣上端向下擴展穿過預制裂隙面并迅速向試樣下端擴展的貫穿性主裂紋，該裂紋為拉伸裂紋，隨著荷載的不斷增加，試樣發生破壞，其破壞模式為拉伸破壞。其次，在試樣破壞的瞬間，預制裂隙尖端或者中部會萌生1～2條次生裂紋，呈近似直線沿著平行于軸向應力方向擴展至試塊端部。但由于試樣非勻質性的影響，試樣內部存在許多原生缺陷，會使次生裂紋的擴展方向呈現出一定的隨機性，從而改變擴展方向。如B1200的裂紋3和B1215的裂紋3，初始萌生方向與軸向應力方向平行，擴展一段距離后逐漸與軸向應力方向呈一定傾角；試樣傾角為90°時，達到峰值強度的瞬間，試樣只產生1條沿著軸向應力方向從試樣上端擴展穿過預制裂隙面迅速向下端擴展的貫穿性主裂紋，該裂紋為劈裂裂紋，其破壞模式為劈裂破壞。隨著傾角的增大，次生裂隙的萌生及擴展跡線越來越少；裂隙傾角較小時(0～30°)，預制裂隙周圍萌生的裂紋較多，說明在裂隙處應力分布復雜；裂隙傾角較大時(45～75°)，預制裂隙周圍萌生的裂紋較少，說明在裂隙處應力分布相對簡單。

2.2 裂隙長度對試樣強度變形特性的影響

圖6 不同裂隙傾角下各裂隙長度試樣的平均峰值強度

不同裂隙傾角下各裂隙長度單裂隙類巖石試樣的平均峰值強度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，與完整試樣相比，含裂隙的試樣峰值強度有不同程度的劣化。試樣的峰值強度隨著裂隙長度的增大總體上呈現逐漸減小的趨勢。隨著裂隙傾角的增大，折線變化趨勢逐漸平緩，試樣峰值強度減小的幅度逐漸變小，裂隙對試樣破壞強度的削弱作用隨裂隙傾角的增大而逐漸減弱；隨著裂隙長度的增大，不同裂隙傾角的試樣的峰值強度數據逐漸由集中變得分散，說明當裂隙長度增大時，裂隙傾角的變化對試樣峰值強度的影響變大。

單軸壓縮作用下裂隙傾角為30°時，不同單裂隙長度(6～24mm)類巖石試樣的裂隙萌生及擴展過程如圖7所示。

圖7 裂隙傾角為30°時各裂隙長度試樣裂隙萌生及擴展過程

由圖7可知，完整試樣在單軸作用下會隨機萌生一系列貫穿性拉伸裂紋，發生壓縮破壞；傾角一定，裂隙長度為6mm和12mm時，在恒速定量荷載作用下，試樣達到峰值強度破壞的瞬間會產生1條沿著軸向應力從上端擴展穿過預制裂隙面并迅速向下端擴展的主裂紋，該裂紋為拉伸裂紋，其破壞模式為拉伸破壞；其次，預制裂隙端部會萌生1～2條從裂隙尖端沿著軸向應力方向向試塊上端或下端擴展的次生裂紋。裂隙長度為18mm和24mm時，試樣達到峰值強度破壞的瞬間會產生1條沿著軸向應力從裂隙尖端向試樣兩端擴展的主裂紋；其次，從預制裂隙尖端也會萌生一系列近似平行于軸向應力方向的次生裂紋。隨著傾角的增大，主裂紋的擴展方向發生了改變。

綜合裂隙長度和裂隙傾角對試樣的變形影響可知，預制裂隙傾角是新裂紋萌生及擴展的關鍵因素，預制裂隙長度影響新裂紋的萌生及擴展規模。

3 結論

1)與完整試樣相比，預制單裂隙的存在使試樣的強度均呈現出一定程度的劣化。

2)單裂隙長度不變，試樣的峰值強度隨裂隙傾角的增大而先減小后增大(傾角為90°時逐漸增大)，試樣峰值強度最小值對應的裂隙傾角逐漸減小；單裂隙傾角不變，試樣的峰值強度隨裂隙長度的增大而逐漸減小。

3)與完整試樣相比，含單裂隙的試樣在破壞瞬間均會產生1條穿過預制裂隙面的貫穿性拉伸主裂紋；試樣裂隙尖端或中部均會萌生一系列次生裂紋；單軸作用下，試樣的破壞模式均為拉伸破壞。

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[8] 戴永浩,楊圣奇,韓立軍,等.斷續預制裂隙脆性大理巖變形破壞特性單軸壓縮試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(12):2391～2404.