預制交叉裂隙花崗巖強度特征試驗

周 游 武 旭 郭奇峰 顏丙乾

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083；3.北京市市政工程研究院，北京 100037）

巖體是自然界中的一種復雜的地質體［1］。其形成會因地質構造、大氣風化等作用，而在內部產生節理、層理、裂紋等眾多缺陷，這些缺陷會對巖石材料的強度與破壞產生重要的影響。隨著國民經濟的快速發展，近年來工程規模逐漸增大，裂隙對巖土工程所造成的影響也愈發被重視。

由于在天然巖石內部預制裂隙比較困難，現有的研究以利用水泥砂漿［2-4］、石膏［5-6］等材料制備類巖石試件進行相似模擬試驗的研究居多。此外，利用數值模擬軟件對含裂隙巖體進行的研究［7-10］也較多。相似模擬試驗具有試件簡單易制備，便于觀察裂紋產生與擴展等優點，數值模擬試驗相較于室內力學試驗具有效率高、費用低、參數控制方便、條件控制準確等優點。但以上2種試驗手段均難以模擬出天然巖石的脆性、非均質特性等特點，因此得出的強度尤其是破裂特征的結論難免不夠可靠。

近年來，研究者在天然巖石中預制不同數量與分布形態的裂隙，對其強度與破裂特征已經有了一定的研究［11-13］。但目前對工程中常見的交叉裂隙巖石開展的研究仍局限于相似模擬［3-5］與數值模擬［8］，缺少天然巖石試驗研究。工程中常見的Ⅳ級結構面以交錯裂隙居多，影響巖體完整性和物理力學性質［14］，對工程穩定性與施工人員安全造成嚴重威脅，故開展交叉裂隙巖石的強度與破裂特征研究便顯得尤為重要。

本項目以天然花崗巖為研究對象，規避了相似材料試驗研究與數值模擬研究的不準確性，使用高壓水刀與金屬線切割設備在花崗巖試件內部預制不同角度組合的主次裂隙，通過單軸壓縮試驗，探究交叉裂隙花崗巖的強度特征，以期對礦山井下工程的設計與穩定性維護產生一定的指導作用。

1 試驗方案

1.1 裂隙設計

本實驗選取的巖樣為細粒花崗巖，礦物成分主要為石英、長石、云母等。按照國際巖石力學學會（ISRM）推薦的試件制備標準，對現場取得的巖石進行切割，加工制備成直徑50 mm，高100 mm的標準圓柱體試件。設計花崗巖試件的預制裂隙為貫穿試件厚度的裂隙，主裂隙長度20 mm，次裂隙長度15 mm，裂隙寬度均為0.3 mm。將不同工況的試件編號為AA-BB，其中AA為主裂隙與加載方向的夾角，BB為主次裂隙之間的夾角，如圖1所示。

為了分析交叉裂隙中裂隙長度、傾角、夾角對巖石強度的作用關系和影響程度，共設計了25種試驗工況。裂隙貫穿試件中心，主裂隙長度20 mm，角度AA分別為0°、30°、45°、60°、90°（順時針方向），次裂隙長度為15 mm，與主裂隙的夾角BB分別為0°、30°、45°、60°、90°，裂隙寬度均為0.3 mm。

1.2 試件制備

為保證試驗精度，使用高壓水刀鉆出中心圓孔，直徑約2 mm。文獻［15］對含2 mm中心圓孔的花崗巖試件與完整花崗巖試件設置對照組試驗進行單軸壓縮，對獲得的力學參數進行對比，發現2種試件在強度上沒有產生明顯差別，故認為2 mm的中心圓孔對巖石單軸抗壓強度沒有本質影響。在制作完成中心圓孔后，采用金屬線切割機床加工裂隙，保證裂隙角度與寬度精確。圖2所示為加工制備好的25種工況花崗巖試件。

2 交叉裂隙對巖石強度的影響

采用北京科技大學土木與資源工程學院的GAW-2000型電液伺服剛性壓力機對試件進行單軸壓縮，持續加載直至試件破壞，采用位移控制的方式，加載速率為0.03 mm/min，將數據采樣的間隔時間設置為0.5 s。

開啟壓力機，將試件放置于金屬墊板上，按軸向位移加載直至試件破壞，試件在加載過程中的軸向應變及所受載荷由計算機自動采集，同時使用美國物理聲學公司PAC所生產的PCI-2型聲發射監測系統進行聲發射信號的采集。通過聲發射系統監測花崗巖試件起裂至破壞全過程的破裂信號，結合采集到的應力—應變曲線綜合分析，準確定位花崗巖試件的起裂應力與峰值應力等力學指標。

2.1 含交叉裂隙試件的峰值強度分析

對完整試件及25種工況試件進行單軸壓縮，圖3為25種工況試件的應力—應變曲線，表1為全工況試件的力學參數具體數值。圖3、表1中試件工況如00-60表示AA為0°、BB為60°，其他類推。

根據表1、圖3可得，不同工況下，花崗巖試件的峰值強度、彈性模量、峰值應變相差較大，應力—應變曲線也有很大的差異，說明巖石中裂隙的角度對其強度特征具有很大的影響。圖4為25種工況下交叉裂隙試件的峰值強度橫向對比圖。

如圖4所示，當AA為0°與30°時，試件的峰值強度普遍高于其他組試件。AA為0°時，00-00（主次裂隙重合）試件的峰值強度最大，隨次裂隙傾角增加，巖石強度先降低后增加。當主次裂隙正交時，強度最低，為47.91 MPa，僅為完整試件強度的20%。

如圖4所示，AA為30°時，試件的峰值強度均較高，與30-00試件相比，交叉裂隙試件的強度均低于單裂隙試件，次裂隙的存在增大了巖石的損傷程度，使其更容易破壞。AA為45°時，試件的強度較低，且波動較大，隨次裂隙角度的增加而先增后減再增，45-45試件強度最低，推測是由于垂直于加載方向的次裂隙起到了主控作用。

AA為60°時，試件的平均強度為41.53 MPa，僅為完整試件強度的18.1%，是強度最低的一組試件。當BB為60°時，試件強度為25.23 MPa，僅為完整試件的11.01%。AA為90°時，試件的強度普遍較低。本組試件主裂隙與加載方向垂直，隨著次裂隙角度的變化，巖石峰值強度變化幅度僅為13 MPa，波動最小。裂隙幾何形態相近的00-90試件與90-90試件相比，峰值強度為47.91 MPa和41.04 MPa，可見當交叉裂隙中存在一條水平裂隙時，無關是否為主裂隙，試件的強度均較低，其破壞主要受該水平裂隙控制。

圖5為AA=0°的試件與單裂隙試件的強度比較圖，單裂隙試件指BB為0°的試件，圖中橫軸的“角度/（°）”指AA為0°試件的BB與單裂隙試件的AA。可看出，主裂隙為0°時，試件的強度變化與單裂隙試件強度變化規律接近，均隨裂隙與垂直方向夾角增加而呈降低趨勢。由此可判斷AA為0°時，交叉裂隙中的主裂隙對試件強度的影響非常小，此時可將交叉裂隙試件簡化為僅有次裂隙存在的試件。單裂隙試件裂隙更長，對試件的強度削弱更大，故單裂隙試件強度略低于AA為0°的試件。

將AA相同的試件編為一組，計算其平均強度。圖6為單裂隙試件與AA相同的一組試件平均強度的比較，可看出，單裂隙試件強度與AA相同的試件平均強度變化規律大體相同，隨AA增大而呈降低趨勢。AA為0°時，同組試件平均強度顯著低于單裂隙試件，次裂隙的存在對巖石的削弱作用較大。AA為30°～90°時，雖然BB變化一定程度上會影響巖石試件的強度而產生波動，但從同組試件平均強度上看，其引起的變化很小。

2.2 含交叉裂隙試件的起裂強度分析

巖石內部存在著大量細觀缺陷，在應力集中作用下容易產生微裂紋，其萌生和起裂可看作是巖石漸進破壞過程的起點［16］。微裂紋的存在使裂紋尖端容易產生應力集中，巖石極易產生進一步的破壞。探究巖石的起裂強度有助于工程中預防巖石起裂及起裂后的進一步破壞。

本試驗使用聲發射法確定巖石起裂強度，采用聲發射設備同步記錄裂紋起裂信號，確定起裂時刻，根據應力—時間關系對應到相應的軸向應力值，即為試件的起裂應力值。在微裂隙壓密和線彈性階段，振鈴計數約為零，基本無聲發射事件產生。巖體在受力過程中，隨著新生裂紋的萌生，局部應變能迅速釋放，形成聲發射信號，因此可根據巖體受壓過程中不同階段聲發射撞擊率隨時間的變化，判定起裂應力和損傷應力特征值，所以振鈴次數的突增點可被視作巖石中裂隙的起裂時刻。

由圖7得到，約550 s時聲發射振鈴次數激增，為試件的起裂時間，對應到應力—時間關系中，起裂強度為87.01 MPa。約1 000 s時，振鈴次數歸零，結合圖3（a）中對應的應力—應變曲線可發現，達到峰值應力后，試件直接產生破壞，沒有產生峰后破壞，其破壞時間與應力-時間關系中的破壞時間也可對應上。因篇幅所限，不再列出所有聲發射—時間關系圖，將所有工況試件的起裂強度數據匯總于表2。

為探究起裂強度與峰值強度之間的關系，將AA相同的試件編為一組，作出隨BB變化，峰值強度與起裂強度之間的變化關系對比見圖8。可看出，當AA相同時，隨BB的變化，峰值強度與起裂強度的變化波動規律大致相同，成正相關關系。AA為0°時，主裂隙與加載方向平行，對試件的破壞起到的作用很小，起裂強度隨BB變化而持續降低。AA為30°時，起裂強度相對平穩，波動很小。AA為45°時，起裂強度同峰值強度一樣，波動比較大，45-45試件的起裂強度最小。AA為60°時，起裂強度波動較大，同峰值強度一致，60-60試件的平均起裂強度為所有工況中最小。AA為90°時，起裂強度相較峰值強度波動更大，起裂強度最小的試件也與峰值強度所對應的不同，但兩者整體波動規律接近。

圖9為單裂隙試件與AA相同的一組試件平均起裂強度的比較，可看出，單裂隙試件起裂強度與AA相同的試件平均起裂強度變化規律大體相同，為隨AA增大而降低。除AA為0°時，單裂隙試件的起裂強度與AA相同組試件平均值均較接近，可看出，次裂隙的存在對巖石起裂應力的影響很小。

3 結論

（1）主裂隙平行于加載方向時，試件的峰值強度與起裂強度普遍較大且均隨裂隙角度增加而呈降低趨勢，交叉裂隙中的主裂隙對試件強度的影響非常小，試件的破壞主要受次裂隙控制，可將交叉裂隙試件簡化為僅有次裂隙存在的單裂隙試件。

（2）主裂隙不平行于加載方向時，試件的峰值強度與起裂強度相對較低。雖然次裂隙的角度變化一定程度上會使巖石試件的強度產生波動，但從同組試件平均強度上看，其引起的變化很小。

（3）主裂隙相同時，隨次裂隙角度的變化，峰值強度與起裂強度的變化波動規律大致相同，成正相關關系。

（4）主裂隙相同組試件平均的峰值強度與起裂強度均隨裂隙角度增加呈降低趨勢，同單裂隙試件相對應的峰值強度與起裂強度相接近。