不同單一裂隙傾角對巖體破壞特征的影響

崔景昆 ，吳東濤 ，張 浩 ，洛 鋒 ,2，王 凱 ，郭利軍

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭礦井建設工程技術研究中心，河北 邯鄲 056038）

巖體是一種充滿了各種不連續面的地質材料，節理就是這種不連續面的典型代表，節理巖體強度不僅受巖石和節理力學性質的影響，而且也受到節理幾何特征的影響（如數量、方向、間距等）[1]，裂隙的擴展和貫通致使巖體失穩發生破壞，將會給人類工程的安全建設與維護帶來巨大的威脅。國內外眾多學者對于節理巖體力學性能進行了大量試驗研究，并且取得了很多具有非常重要意義的結論與成果。Griffith[2-3]在20世紀早期對存在裂隙巖體的研究做出了巨大的貢獻，并最早證實了含有裂紋的脆性材料的破壞模式與完整脆性材料相比有著巨大的差別，認為巖體存在裂紋是造成這種差別的主要因素。Brace等[4]最先應用單軸壓縮對存在裂紋的脆性巖石試件進行了試驗，其試驗發現，早期預制裂紋會發生擴展并且在其原來位置上發生偏移軌跡，裂紋偏離后的角度大約為70°左右。Peng和Johnson[5]、Sangha等[6]通過大量試驗，得出了試樣破壞前裂隙的擴展規律，即裂隙的長度會隨著繼續擴展而增加；次生裂紋的產生與發育由外載荷而決定。Myung Sagong[7]針對巖體中的隧道施工通過集中原位應力和施工活動（如爆破）在隧道周圍造成破壞，自制節理巖石對其進行雙軸壓縮試驗與數值模擬分析，研究了節理角度對節理巖石開口周圍巖石斷裂和節理滑動行為的影響。李術才、張波[8-10]針對含有充填材料的節理巖體以及自制交叉裂隙相似材料試件進行單軸壓縮試驗，并對試件的斷裂損傷機理進行了深入研究。周輝等[11]針對不同尺寸和位置的不規則變化裂隙試件進行直剪試驗，根據結果為現場巖體施工提供了指導。王培濤[12]利用3D打印技術自制裂隙巖體，更加直觀的看到巖體內部裂隙的存在情況，并通過對其進行單軸壓縮試驗特性進行了初步探索。眾多學者的研究表明，大多為參數影響節理巖體破壞。由于在物理模型中復制節理的困難，大部分研究都集中在小型試件上做數值分析，對于裂隙傾角不同對試件影響程度沒有詳細的物理測試結果可以找到。為此放棄小型試件，擬采用大尺寸方形試件，研究其不同裂隙傾角對巖體破壞特征的影響。根據實驗結果，得出的有益結論對在今后的工程實踐發展具有重要的指導意義。

1 物理試驗設計

模型條件及試驗裝備。單軸壓縮載荷應用于由1種新型改型橡膠粉水泥砂漿相似材料制成的巖石樣模型，相似材料由水、砂、防水劑、水泥、減水劑、橡膠粉按照一定的配比混合而成。樣品的制造過程如下：①將材料放在攪拌機中混合5 min；②將混合的相似材料倒入自制鋼模中以便在試件內部鑄造裂隙；③將配比好的混合材料的鋼模振動2 min以使試樣內的氣泡最小化；④將鋼帶插入混合物中以產生預制裂隙表面，并將其留在內部24 h；⑤取下鋼帶部分固化的混合物在恒溫箱中放置8 d。采取大型試件，其試件的尺寸為 W×T×L＝150 mm×150 mm×300 mm。直接剪切試驗采用自動監測系統進行，試驗設備如圖1。

圖1 試驗設備

2 試驗結果分析

2.1 完整試件單軸壓縮應力應變曲線分析

為了使存在裂隙巖體的破壞特征清晰、明確，首先要對無裂隙試件在單軸壓縮過程當中的破壞情況進行分析。完整試件應力應變曲線如圖2。試件在壓縮過程中，曲線整體較為穩定，峰前彈塑性性質表現較為明顯。在壓密階段內曲線微微向上彎曲，主要是由于試件內部并不是完全的呈現出均質性，而會存在著一些初始的微裂隙，這期間試件中初始的微裂隙受到壓力不斷閉合，試件的強度在逐漸增強。當應力達到26.53 MPa，達到峰值。峰后塑性變形能力增加，試件整體的強度出現了大幅度降低，由于試件內部的裂隙發育已經成型，呈現出宏觀破裂，導致試件整體發生破壞而變得不完整。

圖2 完整試件應力應變曲線

2.2 含有裂隙傾角試件單軸壓縮應力應變曲線分析

試件應力應變曲線圖3。裂隙傾角為0°，如圖3（a）的試件在單軸壓縮過程中，通過與完整試件應力應變曲線對比，試驗表明：2條應力應變曲線的彈性壓縮階段，含有0°傾角的水平裂隙試件的斜率要小于完整試件，這是因為試件中含有裂隙之后，使得試件存在了弱面，進而試件的整體承載能力下降。

裂隙傾角為30°試件，如圖3（b）的應力應變曲線，其先達到1個小峰值，而后呈現峰值，這是因為試件內部的原始損傷在不斷地壓縮之后閉合重新開始發育，使得試件整體的承載能力降低。曲線在峰后又出現2次跌落和小幅度的提高，這說明試件在達到峰值之后，其內部的裂隙又經歷了多次的閉合與發育。

45°預制裂隙試件，如圖3（c），整個壓縮過程中應力應變曲線較為穩定，沒有出現強烈震蕩現象，呈現出良好的彈塑性性質。在應力10.45 MPa時呈現峰值，峰后試件卸載卸壓比較迅速。

當預制裂隙為60°試件，如圖3（d）的應力應變曲線，達到第1個峰值之后出現多次震蕩（多次峰值），說明在該試樣內部微裂隙發生閉合與新裂隙的產生次數也有所增加，使得試件整體的承載能力忽強忽弱。

預制裂隙為90°試件，如圖3（e）的曲線，在壓密階段出現了突變點，這是由于在試件壓實過程中，其內部的初始損傷發生了變化，使試件整體的承受載荷能力受到影響，導致試件在初始加載過程中應力出現微妙的下降。

圖3 試件應力應變曲線

2.3 預制裂隙試件單軸壓縮破壞特征

對裂隙試件進行壓縮時主要生成翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋），最早出現的是沿著預制裂隙面產生的翼裂紋，主要為張拉破壞，隨之出現次生裂紋導致剪切破壞。本試驗過程中預制裂隙試件破壞主要為翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發育良好所引起的剪切破壞和試件兩側引發的豎向劈裂破壞（張拉破壞），試件破壞特征如圖4。

圖4 試件破壞特征

1）0°試件,壓縮過程中，裂隙面受壓導致沿預制裂隙面發生多處斷裂，如圖4（a），翼裂紋較為明顯、完整且翼裂紋與次生裂紋發育良好，形成擴展角65°。試件破壞主要為翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發育良好所引起的剪切破壞和試件兩側引發的豎向劈裂破壞（張拉破壞）。

2）30°試件受壓縮后裂隙面不僅出現翼裂紋與次生裂紋，而且試件的側面均出現較為明顯的劈裂紋，發育程度非常充分，該試件的破壞是由剪切破壞與豎向劈裂破壞共同導致，如圖4（b）。

3）45°試件，兩端均產生微裂隙，在預制裂隙面中與0°、30°相比，其翼裂紋與次生裂紋更加明顯發育程度更加完整，如圖4（c）。該試件主要是由翼裂紋與反翼裂紋（次生裂紋）共同生成且發育良好所引起的剪切破壞。由預制裂隙面破壞引發擴展角的擴大而引起的試件兩側微裂隙開始萌生與發育，發育程度不明顯。

4）對于60°試件，整體破壞嚴重，翼裂紋發育程度非常高，而次生裂紋發育程度比0°、30°試件更加明顯，在與預制裂隙面相垂直的側面中形成豎向裂紋。在試件整體破壞之前，整體發育程度相對前幾種裂隙傾角試件要高很多，如圖4（d）。

5）對裂隙傾角為90°試件進行壓縮，預制裂隙面上翼裂紋出現的是微乎其微，而次生裂紋的產生并沒有前4個試件那么明顯，事件破壞不明顯，預制裂隙面對試件整體破壞影響微弱，如圖4（e）。

2.4 預制不同裂隙傾角對試件單軸抗壓強度的影響

預制不同傾角試件的單軸抗壓強度曲線如圖5，完整試件在進行單軸壓縮時其抗壓強度為26.53 MPa。預制裂隙傾角 α 為 0°、30°、45°、60°、90°時，其單軸抗壓強度分別為15.97、13.19、10.45、10.50、19.26 MPa，其中當裂隙傾角α為0°時，單軸壓縮強度下降幅度很大，完整試件較有裂隙的試件對其單軸抗壓強度有很大的影響；裂隙傾角α為30°時，單軸抗壓強度再一次下滑；裂隙傾角為45°時，試件單軸抗壓強度最低；當裂隙傾角α為60°時，與45°試樣相比，出現微妙的變化只高出0.05 MPa，而傾角為45°試件的單軸抗壓強度又比傾角為0°、30°試件低，因此可以猜想在裂隙傾角為30°與45°試件之間存在對完整試件單軸抗壓強度最小的角度；當裂隙傾角為90°時，與完整試件的單軸抗壓強度差距不是很大，對巖體的強度影響不是很大，這對在今后的工程實踐發展中具有重要的指導意義。

圖5 單軸抗壓強度與傾角的關系

3 結論

1）在單軸壓縮下，完整試件與含有裂隙試件相比，含有裂隙試件的強度遠低于完整試件。

2）預制裂隙傾角影響著裂隙的發育程度，通過試驗結果將裂紋發育程度從大到小排列依次為：60°、45°、0°、30°、90°。

3）不同預制裂隙傾角試件的單軸抗壓強度曲線近似成倒U型，并且預制裂隙的傾角在30°與45°之間存在著對試件強度影響最大的角度。