裂隙數量對低強度巖體力學特性及破壞模式影響的試驗研究

付紅亮

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平 048411）

0 引 言

在工程巖體中普遍含有各種尺度的節理裂隙，節理裂隙對巖石的力學特性具有顯著的影響，巖石的失穩破壞也與這些節理裂隙具有密切的關系[1-3]。因此，研究節理裂隙對巖石的強度變形特性和破壞特征的影響具有重要意義。

鑒于此，Bombolakis[4]于1968年首次進行了單軸壓縮條件下含單一裂隙試件破壞模式的試驗研究。自此之后，為了更加深入地了解節理裂隙對巖石強度、變形及破壞模式的影響，國內外學者進行了大量相關的試驗研究。例如，楊圣奇等[5,6]對紅砂巖裂隙試樣在單軸壓縮條件下的裂紋擴展過程以及裂隙傾角對強度及變形參數的影響規律進行了系統研究。肖桃李等[7]采用高強硅粉砂漿配制了大理巖類巖石材料試件，進行了不同圍壓下單裂隙試件常規三軸壓縮試驗，并用斷裂力學原理分析了單裂隙試件沿結構面剪切破壞的影響因素。接著，肖桃李等[8]還開展了雙裂隙巖樣在三軸壓縮試驗研究，結果表明在三軸壓縮下反向翼裂紋為主要的裂紋類型。趙延林等[9]開展了單軸壓縮下類巖石材料有序多裂紋體破斷試驗，研究了不同裂隙傾角和裂隙密度對峰值強度和貫通模式的影響。以上這些試驗主要以含單、雙或多裂隙的真實巖質試件或類巖石材料試件為對象，研究其在單軸、雙軸或三軸壓縮應力條件下的力學特性和破壞模式。

通過對現階段的裂隙巖體試驗研究進行歸納可知，基本上都是以砂巖、灰巖和大理石等高強度的真實巖體或相應的類巖石材料為試驗對象，而針對低強度裂隙巖體（如泥巖、砂質泥巖等）的力學特性及破壞模式的相關試驗研究則比較少見。針對這一不足，本文以含不同裂隙數量的砂質泥巖類巖石材料試件為研究對象，采用MTS815電液伺服控制試驗機進行常規單軸壓縮試驗，并基于試驗結果分析低強度類巖石材料試件在不同裂隙數量條件下的強度及變形破壞特征，以期為含低強度裂隙巖體的地下工程建設和運營提供參考。

1 試驗介紹

1.1 試件制作及方案設計

本次試驗選擇的低強度巖體為砂質泥巖（平均單抽抗壓強度為28.23MPa），取自山西省高平市望云煤礦一工作面頂板。

圖1 不同裂隙數量試件幾何參數圖

預制裂隙采用水利切割的方法來制作，所制作的裂隙為貫穿-開放型裂隙。按照國際巖石力學學會的要求，試件的高徑比為2：1，其直徑為50mm，高度為100mm，各種類型裂隙試件的幾何參數詳見圖1。其中，預制裂隙均布置于試件中部，其長度為2a，開度為2b，巖橋長度為2L，數量為n，傾角（即與水平方向的夾角）為α。進行不同裂隙數量試件的單軸壓縮試驗。預制裂隙長度2a、開度2b和巖橋長度2L保持不變，分別為15mm、2mm和10mm，傾角α為0°、30°、60°和90°，裂隙數量n分別為1條、2條和3條，其中，預制裂隙沿軸向平行重疊布置，如圖1所示；試驗方案的詳細介紹可見表1。

表1 試驗方案介紹

1.2 試驗設備及加載程序

常規單軸壓縮破壞試驗均在MTS815電液伺服控制試驗機上進行，試驗統一采用位移控制準靜態加載方式，加載速率為0.002mm/s。為了減小試驗結果的離散性，所有類型試件均各準備3個，在完全相同的試驗條件下進行3組平行試驗。此外，為了減小端部效應對試驗結果的影響，試驗前在試件上下端面涂抹適量黃油，用以減小試件與剛性承壓板之間的摩擦約束和加載過程中的應力集中。同時在加載過程中，采用高清攝像機對試件破壞裂紋的產生、發展、貫通進行全程拍攝記錄。

2 裂隙數量對試件力學特性及破壞模式的影響

2.1 應力-應變曲線及強度特征

不同裂隙數量試件在0°、30°、60°和90°傾角裂隙條件下的應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 不同裂隙數量試件的應力-應變曲線

從圖2中可知，隨著裂隙數量的增加，試件應力-應變曲線彈性變形階段的持續時間大為減小，并將提前進入裂紋萌生與擴展階段，與此同時應變軟化階段也顯著延長。但相對于前面幾個階段，裂隙數量對峰后破壞階段的影響變化最為明顯，在此著重分析。當裂隙傾角小于90°時，隨著裂隙數量的增加，裂隙試件應力-應變曲線峰后破壞階段逐漸由快速下跌轉變為臺階式下跌，最后變為水平延伸式緩慢下跌，表明隨著裂隙數量的增加，裂隙試件的延性逐漸增強，最終出現完全延性特征，同時逐漸由脆性破壞轉變為塑性破壞，最終轉變為塑性流動變形破壞。裂隙傾角越小，這一現象越明顯。當裂隙傾角為90°時，裂隙數量對試件的應力-應變曲線影響不明顯，其峰后破壞階段均表現為快速跌落，呈脆性方式破壞。這主要是由于當裂隙方向與軸向主應力方向平行時，裂隙雖然破壞了試件的完整性，但受結構效應的影響，對試件承載能力的影響較小。由以上分析可知，在傾斜和水平條件下，裂隙數量的增加對試件的應力-應變曲線將產生較大影響，試件的延性增強，逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉變，當裂隙數量足夠多時，試件將出現完全延性，呈近似塑性流動變形破壞。同時還可以得到，裂隙傾角越接近主應力加載方向，其結構效應就越發明顯，結構效應可以有效的緩和裂隙對試件的損傷效果。

圖3 不同裂隙數量試件峰值強度變化曲線

圖3 為不同裂隙數量試件在0°、30°、60°和90°傾角裂隙條件下的峰值強度曲線。在圖4中，當裂隙傾角小于90°時，裂隙試件的峰值強度隨裂隙數量的增加而呈明顯的減小趨勢，其中60°傾角裂隙試件的減小幅度最為明顯，當裂隙數量由1條依次增加至3條時，其峰值強度依次減小了25.4%和37.4%，表明裂隙對試件的損傷效應隨其數量的增加而逐漸增強。但是，當裂隙傾角為90°時，裂隙試件的峰值強度隨裂隙數量的增加出現先減小后增大的變化趨勢，但增減幅度很小，分別為4.3%和4.9%，這主要是由于此時裂隙的存在雖然破壞了試件的完整性，但是切割作用會在試件中部形成“多柱狀”的承載結構，因此對試件的承載能力影響很小。

2.2 變形特征

試件的彈性模量能夠很好的反應出試件的變形特征[10]，因此，對不同裂隙數量試件的彈性模量進行了統計分析，詳見圖4。

圖4 不同裂隙數量試件的彈性模量統計曲線圖

在圖4中，試件在不同裂隙傾角條件下的彈性模量隨著裂隙數量的增加總體上均呈現出減小的趨勢。當裂隙傾角為0°時，減小趨勢最為明顯，但是，隨著裂隙傾角的逐漸增大，這種趨勢逐漸減弱，當裂隙傾角增至90°時，試件彈性模量隨裂隙數量的增加只出現少許的下降。出現這種現象主要是由于：①在受壓情況下，水平裂隙比傾斜和垂直裂隙更容易發生變形閉合，且隨著裂隙數量的增加，每條裂隙的變形閉合會出現一定程度的疊加，這就導致試件在受力情況下抵抗變形的能力減弱，彈性模量降低；②隨著裂隙傾角的增大，裂隙壓縮變形閉合逐漸減弱，而結構效應反而逐漸明顯，從而緩和了裂隙數量對試件彈性模量的損傷效果。

2.3 破壞模式

為了研究裂隙數量對試件破壞模式的影響，對0°、30°、60°和90°四種傾角條件下的不同數量裂隙試件在單軸壓縮條件下的破壞模式進行了系統的分析研究，詳見圖5。

圖5 不同裂隙數量試件的破壞模式

圖 5（a）～5（c）為 0°傾角條件下，不同裂隙數量試件的破壞模式示意圖。圖5（a）中，單裂隙試件主要由預制裂隙兩端產生的拉伸翼裂紋和拉伸反向翼裂紋延伸至試件頂、底部致使試件破壞，為典型的拉伸破壞模式；圖5（b）中的雙裂隙試件的破壞主要由雙裂隙左端的剪切次生裂紋和右端的拉伸翼裂紋分別交合并向試件邊界延伸所致，破壞模式以拉伸破壞為主，剪切破壞為輔；圖5（c）中三裂隙試件完全是由各預制裂隙產生的拉伸次生裂紋和拉伸翼裂紋延伸擴展至試件頂底部從而導致試件喪失承載能力，為純粹的拉伸破壞。由以上分析可知，0°傾角條件下，試件的破壞模式受裂隙數量的影響程度不大，均以拉伸破壞為主或完全拉伸破壞模式。

圖 5（d）～5（f）為 30°傾角條件下，不同裂隙數量試件的破壞模式示意圖。在圖5（d）中，單裂隙試件的破壞主要是預制裂隙兩端的剪切翼裂紋分別向試件邊界延伸擴展的結果，破壞模式主要為剪切破壞，局部存在拉伸破壞；圖5（e）中的雙裂隙試件為典型的拉剪復合破壞模式，分別由上、下部預制裂隙兩端的剪切翼裂紋和拉伸反向翼裂紋向上和向下延伸擴展致使試件破壞；圖5（f）中三裂隙試件破壞形態與破壞模式與圖5（c）類似，為典型的拉伸破壞模式。對圖5（d）～5（f）的分析內容進行總結可得到，在 30°傾角條件下，試件破壞模式易受裂隙數量的影響，試件的破壞模式由剪切破壞為主轉變為拉剪復合破壞，最終變成純拉伸破壞模式。

圖 5（g）～5（i）為 60°傾角條件下，不同裂隙數量試件的破壞模式示意圖。圖5（g）中單裂隙試件由預制裂隙端頭產生的兩條剪切翼裂紋和一條拉伸翼裂紋相互連接貫通致使試件完全破裂，破壞模式為拉剪復合破壞；5（h）中雙裂隙試件的破壞由上部裂隙下端頭的拉伸次生裂紋和下部裂隙兩端的拉伸翼裂紋向上和向下延伸擴展至試件邊界所致，為拉伸破壞模式；5（i）中三裂隙試件為拉剪復合破壞，試件上部以剪切破壞為主，下部以拉伸破壞為主，巖橋全部為剪斷。對圖 5（d）～5（f）的分析內容進行總結可得到，在60°傾角條件下，裂隙數量對試件破壞模式的影響較為模糊，并沒有特定的轉變規律可循。

圖 5（j）～5（l）為 90°傾角條件下，不同裂隙數量試件的破壞模式示意圖。其中圖5（j）和圖5（k）中的單、雙裂隙試件的破壞模式基本相同，均由預制裂隙端頭發育的多條拉伸次生裂紋和拉伸遠場裂紋相互擴展貫通致使裂隙試件的最終破壞，主要為拉伸破壞，但局部存在剪切破壞；圖5（l）中的三裂隙試件為純粹的剪切破壞，其左預制裂隙上端和右預制裂隙下端發育的剪切翼裂紋延伸至試件邊部，且兩者通過剪切裂紋貫通，從而致使試件完全破壞。對圖 5（j）～5（l）的分析內容進行總結可得到，在90°傾角條件下，隨著裂隙數量的增加，試件逐漸由以拉伸破壞為主的破壞模式向剪切破壞轉變。

對圖7有的分析內容進行總結，得到：在不同傾角條件下，裂隙數量對試件破壞模式的影響效果差異很大，其中，裂隙數量對傾斜和垂直裂隙試件破壞模式的影響比水平裂隙試件的明顯。

4 結 論

1）裂隙數量對低強度巖體試件應力-應變曲線的影響非常大，可使其彈性變形階段的持續時間大為減小，并提前進入裂紋萌生與擴展階段，應變軟化階段也顯著延長，同時峰后破壞階段由快速下跌轉變為臺階式下跌，最后變為水平延伸式緩慢下跌，表明隨著裂隙數量的增加，裂隙試件的延性逐漸增強，最終出現完全延性特征，同時逐漸由脆性破壞轉變為塑性破壞，最終轉變為塑性流動變形破壞。但隨著裂隙傾角的增大，影響程度逐漸隨結構效應的增強而減弱。

2）在水平和傾斜裂隙條件下，低強度巖體試件的峰值強度隨裂隙數量的增加呈明顯減小趨勢，但在垂直裂隙條件下，受“多柱狀”承載結構效應影響，試件的峰值強度不會隨裂隙數量的增加而出現明顯的波動變化。裂隙數量對不同裂隙傾角條件下低強度巖體試件的變形特征均有較大影響。

4）裂隙數量對傾斜和垂直裂隙試件破壞模式的影響要比水平裂隙試件的明顯。在傾斜和垂直裂隙條件下，試件的破壞模式將隨裂隙數量的增加在拉伸破壞和剪切破壞之間轉換，但轉換規律不明確。