節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特性的研究進展

宋 杰，孟凡震，岳祝鳳，周 雄，王肖珊，王在泉

(青島理工大學(xué) 理學(xué)院，青島 266525)

巖體是一種經(jīng)過漫長的地質(zhì)力學(xué)作用形成的復(fù)雜地質(zhì)體，具有非勻質(zhì)性、不連續(xù)性和各向異性等特點。作為各種巖石工程(邊坡、隧洞、巷道、廠房)建設(shè)的媒介，巖體常常被各種大到數(shù)百米小到幾厘米的裂隙切割成巖石塊體(圖1(a))。節(jié)理裂隙面由于具有極低的強度、較小的剛度、較大的變形能力和較強的透水特性，往往成為巖體工程失穩(wěn)破壞的“突破口”，如巖質(zhì)邊坡沿裂隙面的滑坡、壩基工程在應(yīng)力和水流滲透作用下沿裂隙垮塌、交通隧道沿節(jié)理面塌方和水電隧洞、煤礦巷道圍巖在高應(yīng)力下的巖爆和沖擊地壓動力沖擊災(zāi)害等。

巖體中的節(jié)理裂隙主要包括斷層、節(jié)理、結(jié)構(gòu)面、層理、片理、巖脈等，具有規(guī)模不一、尺度、產(chǎn)狀各異的特點；除此之外，有的節(jié)理裂隙延展性較好，在巖體呈連續(xù)分布，而有的節(jié)理連續(xù)性差，呈斷續(xù)分布(圖1(b))，微小節(jié)理之間有未貫通的完整巖石，稱之為巖橋。上述特點表征了節(jié)理裂隙巖體性質(zhì)的極端復(fù)雜性，但對于巖石工程的安全穩(wěn)定性卻產(chǎn)生重大影響。因此幾十年來，節(jié)理裂隙巖體中節(jié)理、裂隙在外荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)、擴展貫通模式、破壞機制、強度準則等吸引了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注并開展了大量的試驗、理論和數(shù)值模擬等方面的研究。本文通過分析節(jié)理裂隙巖體的力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀，著重從室內(nèi)試驗角度全面分析節(jié)理裂隙巖體的研究方向和各個方面的研究進展及不足，希望為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

圖1 天然節(jié)理面

1 節(jié)理裂隙力學(xué)特性的試驗研究

1.1 單、雙、三軸壓縮應(yīng)力下裂隙巖體力學(xué)特性

試驗條件下一般采用原巖和相似材料(如水泥砂漿和石膏等)作為研究對象。對于原巖試樣，通過現(xiàn)場取得含天然節(jié)理裂隙面的巖體，并制作成圓柱體或方形標準試件；或者對加工好的試樣采用水刀、高速切割機等切割形成內(nèi)置裂隙進行相關(guān)試驗，如圖2所示。

1.1.1 原巖天然節(jié)理裂隙

研究者主要通過鉆孔取芯獲得包含原生貫穿裂隙的試樣，分析節(jié)理傾角、粗糙度、充填物等對試樣強度和變形破壞的影響。NASSERI等研究了四種各向異性片巖在不同片理面-最大主應(yīng)力夾角時的單軸和三軸壓縮下的強度和破壞機制，發(fā)現(xiàn)片理面傾角和礦物成分對試件的宏細觀破壞具有較大影響[1]。NIANDOU等進行了含層理面的頁巖三軸試驗，發(fā)現(xiàn)加載方向和圍壓是影響試件按不同形式破壞的主要因素[2]。冒海軍等利用壓縮試驗建立了含結(jié)構(gòu)面板巖的強度準則和力學(xué)參數(shù)求取方法，發(fā)現(xiàn)隨結(jié)構(gòu)面傾角變化主要發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面滑移破壞、穿切結(jié)構(gòu)面破壞和復(fù)合型破壞三種形式，巖體強度隨結(jié)構(gòu)面傾角先減小后增大[3-4]。李宏哲等研究了含天然貫穿節(jié)理的大理巖(圖2(a))在不同圍壓下的破壞特征，當(dāng)節(jié)理面與最大主應(yīng)力夾角大于40°時發(fā)生穿切節(jié)理面破壞，強度與完整巖石相當(dāng)；當(dāng)夾角小于40°時沿節(jié)理面滑移破壞且強度顯著降低[5]。王強等研究了含水平弱面、傾斜弱面和垂直弱面的輝綠巖單軸壓縮力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)完整巖石和含水平弱面的巖石強度最高，且聲發(fā)射信號相近[6]。為克服直剪試驗多個試樣取樣困難的缺點，荀曉慧等提出了采用多級圍壓的三軸試驗獲得原巖結(jié)構(gòu)面的強度包絡(luò)線和抗剪強度參數(shù)的方法[7]。采用天然節(jié)理獲得的試驗數(shù)據(jù)可以直接為現(xiàn)場施工提供參考，但天然節(jié)理試樣往往取樣困難、試驗結(jié)果可重復(fù)性差、力學(xué)性質(zhì)差異大、成本高，僅適用于對某一具體工程的研究。

1.1.2 原巖預(yù)制節(jié)理裂隙

另一種利用原巖研究含裂隙巖體性質(zhì)的方法是對標準試件采用切割機或水刀，在試樣內(nèi)預(yù)定位置切割具有一定長度、傾角和開度的裂縫，開展含不同傾角、不同長度、不同間距、不同微缺陷形狀的巖體破壞機制的研究(稱為“割縫法”)。WONG等采用高速攝像機捕獲了石膏和大理巖內(nèi)預(yù)制裂隙(圖2(b))擴展全程的信息，從宏細觀分析了裂隙貫通模式和機制，發(fā)現(xiàn)大理巖宏觀裂縫形成前往往可以觀察到白斑出現(xiàn)[8]。LI等研究了含預(yù)制裂隙的花崗巖試樣在水壓致裂過程中聲發(fā)射規(guī)律和震源機制，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射監(jiān)測裂紋擴展比高速攝像捕獲裂紋擴展信息更敏感，而預(yù)制裂紋尖端往往發(fā)生震源集中現(xiàn)象[9]。趙程等借助數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了含預(yù)制裂紋的花崗巖試樣在單軸壓縮下翼裂紋擴展過程(圖3)[10]。楊圣奇等開展了一系列含不同裂隙類型、裂隙數(shù)目、傾角和巖橋傾角的斷續(xù)裂隙大理巖和砂巖的單、三軸壓縮試驗研究，發(fā)現(xiàn)巖石的強度和裂紋擴展路徑強烈依賴于預(yù)制裂隙的尺寸和空間分布[11-12]。PAN等研究了花崗巖預(yù)制裂隙內(nèi)含不同充填物時的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)充填物剛度影響裂隙表面法向和切向位移[13]。張國凱等對含不同傾角的單裂隙的花崗巖試樣開展單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)彈性模量和起裂應(yīng)力隨裂隙傾角增大而增大，聲發(fā)射事件分布與裂紋分布具有較好的相關(guān)性[14]。WANG等研究了含兩條預(yù)制裂隙砂巖試樣單軸加載的速率效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)速率越大強度越大，試樣整體破壞由II型斷裂向I型斷裂轉(zhuǎn)換[15]。上述研究內(nèi)容促進了人們對微裂紋起裂、貫通至巖石宏觀失穩(wěn)過程和預(yù)制裂隙之間相互作用的理解，然而采用切割方式預(yù)制裂隙有如下缺點：①預(yù)制裂隙必然存在一定開度，開度大小影響裂隙尖端應(yīng)力集中程度，進而影響巖石的強度和裂紋擴展過程，前人很少研究開度的影響；②由于裂隙無法閉合，無法反映裂隙表面粗糙度對裂紋擴展的影響；③原巖材料剛度大、抗變形能力強，即使到達峰值強度時，預(yù)制裂隙也無法閉合，這與深部巖體中廣泛存在的閉合裂隙具有較大差別。

圖2 巖石中的節(jié)理裂隙[5,8,16]

圖3 采用數(shù)字圖像監(jiān)測裂紋擴展[10]

1.1.3 相似材料預(yù)制節(jié)理裂隙

模型試驗是指利用與巖石性質(zhì)相似的材料(類巖石)代替巖石，定性或半定量研究類巖石材料的強度、變形、破壞機制等問題。對于節(jié)理裂隙巖體，可以根據(jù)研究需要，在類巖石材料制作過程中通過插入薄鋼片等方式預(yù)制不同類型的節(jié)理裂隙(圖2(c)，稱為“插縫法”)。蒲成志等研究了含一條水平裂隙的類巖石材料單軸壓縮時的破壞機制，認為裂隙張開度和長度之比對巖石破壞影響很大[16]。白世偉等結(jié)合激光散斑照相技術(shù)，研究了平面應(yīng)力條件下含兩種分布形態(tài)閉合斷續(xù)節(jié)理試樣的變形和強度破壞特征，發(fā)現(xiàn)翼裂紋起始點的切線方向與節(jié)理面夾角(起裂角)為68～81°，且逐漸轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向[17-18]。朱維申等利用模型試驗研究了雙軸壓力作用下雁行裂紋在不同水平壓力、傾角和間距等條件下的開裂角、起裂荷載、巖橋貫通機理等，發(fā)現(xiàn)巖橋的破壞方式有剪切破壞、拉剪復(fù)合破壞和翼裂紋擴展破壞[19]。黃凱珠等采用類砂巖材料開展了含不同摩擦系數(shù)和不同角度布置的預(yù)制裂紋的貫通機制的研究，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)影響裂紋的擴展模式[20]。陳新等利用石膏試樣研究了含多組斷續(xù)節(jié)理試件在不同節(jié)理傾角和連通率時的單軸壓縮強度和彈模變化規(guī)律，認為連通率恒定，節(jié)理傾角為90°時巖體的峰值強度和彈性模量最高；某一節(jié)理傾角下，隨連通率的增大，巖體的峰值強度和彈性模量都逐漸降低[21]。由于相似材料一般強度低、變形能力大，當(dāng)預(yù)制裂隙開度極小時，高應(yīng)力狀態(tài)下可能會達到閉合狀態(tài)，但采用的插縫薄片必須足夠薄，另外“插縫法”預(yù)制節(jié)理裂隙存在產(chǎn)狀不易控制、精度低等缺點。3D打印技術(shù)是一門新興的輔助制造技術(shù)，最近幾年也被應(yīng)用于巖土材料的力學(xué)測試中，具有控制精度高、效率高和可重復(fù)性強等優(yōu)點，一些學(xué)者用3D打印技術(shù)來打印節(jié)理模型或直接打印含節(jié)理試樣。金愛兵等采用3D打印技術(shù)打印節(jié)理模型(厚度僅為0.1 mm)，并借助DIC技術(shù)分析了不同傾角的預(yù)制節(jié)理裂紋擴展過程[22]。王本鑫等采用3D技術(shù)打印了含非貫通平行節(jié)理試樣進行單軸壓縮，并利用CT掃描重構(gòu)了試樣破壞后的破裂面分布情況[23]。江權(quán)等采用3D打印技術(shù)打印了含單條節(jié)理的立方體試樣，研究了其裂紋擴展過程，并與原巖結(jié)果進行了對比[24]。3D打印試樣的性質(zhì)嚴重依賴于所采用的材料，目前主要采用石膏粉等材料，其一般具有較大的抗拉強度和較低的脆性，與真實巖石性質(zhì)存在一定差距，因此開發(fā)能反映巖石性質(zhì)的3D打印材料是該技術(shù)能夠成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.2 壓剪應(yīng)力下裂隙巖體力學(xué)特性

1.2.1 原巖節(jié)理面

節(jié)理裂隙巖體除了在壓縮荷載作用下發(fā)生由于裂紋擴展、貫通等導(dǎo)致巖體宏觀失穩(wěn)外，巖體在剪切荷載作用下剪切滑移破壞也是一種常見的破壞形式。近幾年研究者從節(jié)理壓剪基本力學(xué)特性、破壞機制、影響因素、理論模型等多方面開展研究。在原巖節(jié)理方面，鄭文棠等對某核電廠節(jié)理面取樣后進行了室內(nèi)直剪試驗，發(fā)現(xiàn)硬性結(jié)構(gòu)面具有峰值應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而對于結(jié)合一般、部分被鐵錳質(zhì)渲染的結(jié)構(gòu)面則未出現(xiàn)峰值[25]。杜守繼等分析了巖石節(jié)理剪切變形特性和粗糙度特性與變形歷史的依存關(guān)系[26]。李志敬等研究了不同粗糙度的硬性結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性，在低應(yīng)力水平下，變形表現(xiàn)為衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變；高應(yīng)力水平時，巖樣在極短時間內(nèi)迅速破壞，未出現(xiàn)通常的加速破壞階段[27]。沈明榮等進行不同法向應(yīng)力水平下的剪切蠕變試驗，利用過渡蠕變法、等時曲線法、蠕變曲線第一拐點法確定結(jié)構(gòu)面試件在剪切狀態(tài)下的長期強度，比較了三種方法各自的不足[28]。丁秀麗等分析了三峽船閘區(qū)硬性結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性，表明了結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變位移不僅是加載持續(xù)時間的函數(shù), 且與所施加的法向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的大小有關(guān)[29]。采用現(xiàn)場采集的原巖節(jié)理開展壓剪試驗與壓縮試驗具有相似的局限性，存在取樣困難、試驗結(jié)果離散性大等缺點，但適合對某一具體工程獲得其設(shè)計所需的抗剪強度參數(shù)。3D雕刻技術(shù)是指采用雕刻機將巖石表面雕刻出與天然節(jié)理相同的三維形貌特征的節(jié)理試樣，一些研究者用該方法克服現(xiàn)場取得原巖試樣的缺點。周輝等采用雕刻的大理巖試樣開展了不同壓力的剪切試驗，分析了具有相同不規(guī)則形貌的節(jié)理的破壞特點和強度特性；還研究了花崗巖節(jié)理的剪切各向異性特點[30-31]。江權(quán)等雕刻了相同形貌的砂巖、大理巖、花崗巖節(jié)理試樣，研究試樣的表面磨損特性[32]。雕刻方法可以采用原巖試樣進行試驗，而不需使用強度、脆性相對較低的相似材料，而且可以制作具有完全相同形貌的多組試樣，保證粗糙度變量的一致性，因此在研究節(jié)理峰值強度模型、不同因素對力學(xué)特性的影響方面具有廣闊應(yīng)用前景。

1.2.2 模型試驗節(jié)理面

利用砂漿、石膏等相似材料可以預(yù)制不同傾角和高度的鋸齒狀節(jié)理，也可以復(fù)制不規(guī)則形貌的節(jié)理，因此相比于原巖節(jié)理得到了更廣泛的應(yīng)用。白世偉、胡波等研究了斷續(xù)節(jié)理連通率對節(jié)理剪切面的變形和強度特性，發(fā)現(xiàn)連通率對抗剪強度、剪切剛度、模量等具有較大影響，同一法向應(yīng)力下隨連通率變大峰值剪切強度都減小[33-34]。沈明榮等利用類巖石材料研究不同爬坡腳時規(guī)則齒形結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性，發(fā)現(xiàn)完整巖石和裂隙巖體結(jié)構(gòu)的蠕變機制不同[35]。李海波等研究了混凝土節(jié)理面在不同剪切速率、法向應(yīng)力、起伏角條件下的強度和變形特性，發(fā)現(xiàn)節(jié)理峰值剪切強度隨著剪切速率的增大而減小[36]。劉博等研究了在循環(huán)剪切荷載作用下，不同法向應(yīng)力、不同起伏角、不同面壁強度工況下，峰值強度大小及經(jīng)歷一定剪切循環(huán)后峰值強度的劣化程度變化規(guī)律，認為峰值強度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先快后慢降低趨勢[37-38]。劉遠明等研究了五級法向應(yīng)力和三種含不同傾角齒形非貫通節(jié)理的強度變形性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)非貫通節(jié)理巖體整體的破壞特征表現(xiàn)為由原生節(jié)理和自節(jié)理端部擴展的巖橋斷面所組成的復(fù)合破壞面[39]。

1.2.3 節(jié)理面損傷特性

節(jié)理面的剪切強度與節(jié)理粗糙度密切相關(guān)，而節(jié)理粗糙度則由其表面的起伏體決定。因此研究節(jié)理表面起伏體的損傷規(guī)律和時空分布特點對于預(yù)測節(jié)理面宏觀力學(xué)特性、揭示其破壞機制具有重要意義。 隨著各種測量技術(shù)的發(fā)展，光測方法、圖像方法、聲發(fā)射定位技術(shù)等被應(yīng)用到節(jié)理面損傷的研究中。PATTON基于模型試驗較早發(fā)現(xiàn)了起伏體在低應(yīng)力的爬坡磨損破壞和高應(yīng)力下發(fā)生剪斷破壞兩種模式[40]。MORADIAN，MENG等采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，定位了節(jié)理剪切過程中的聲發(fā)射事件，分析了節(jié)理表面損傷的時空分布規(guī)律(圖4)[41-42]。JIANG等采用三維雕刻技術(shù)制作了形貌一致的節(jié)理面，利用三維掃描儀定量分析了剪切前后節(jié)理面形貌參數(shù)的變化[43]。INDRARATNA等提出了一種采用根據(jù)起伏體高度劣化大小表征表面損傷程度的新方法，發(fā)現(xiàn)起伏體損傷和斷層泥的累積隨著法向壓力和粗糙度增大而增大[44]。劉新榮等研究了含有規(guī)則一階、二階起伏體的砂巖節(jié)理在峰前循環(huán)剪切荷載作用下的損傷特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)起伏體發(fā)生爬坡效應(yīng)和啃斷破壞時剪應(yīng)力曲線顯著不同[45]。ASADI等發(fā)現(xiàn)隨著起伏體高度和壓力的增大，節(jié)理破壞逐漸從摩擦滑移到剪斷破壞和拉伸破裂轉(zhuǎn)換[46]。上述的基于光學(xué)的分析方法只能在剪切試驗后進行分析，無法實時獲得剪切過程中節(jié)理面的損傷演化情況，而聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)則可以對剪切過程中的微破裂時間和位置進行精確定位。

圖4 節(jié)理面損傷與聲發(fā)射事件對比[41]

1.2.4 高應(yīng)力下硬巖節(jié)理力學(xué)特性

隨著巖體工程(深部隧道、引水隧洞、核廢料處置庫)和能源開采(深部采礦、油氣開采、地?zé)衢_發(fā)等)深度的逐漸增加，節(jié)理巖體常常賦存于高應(yīng)力環(huán)境下，如錦屏二級水電站最大埋深2525 m，最大主應(yīng)力達70 MPa，低應(yīng)力和高應(yīng)力環(huán)境下硬巖節(jié)理具有不同的力學(xué)特性，尤其表現(xiàn)在峰后階段。因此開展高應(yīng)力條件下硬巖節(jié)理剪切力學(xué)特性的研究，對于保障我國深部巖體工程的安全施工、深部能源的安全高效開采具有重要意義。MENG等采用人工劈裂的方法形成粗糙不規(guī)則節(jié)理面，對高法向壓力下(最大45 MPa)大理巖、花崗巖、水泥砂漿節(jié)理面剪切力學(xué)特性開展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)：①巖性和應(yīng)力條件是導(dǎo)致不同峰后摩擦特性的主要原因；②花崗巖節(jié)理高應(yīng)力下的周期性黏滑現(xiàn)象與周期性地震和滑移型巖爆具有相似的發(fā)生過程，認為黏滑時產(chǎn)生的應(yīng)力降和釋放的極大能量是產(chǎn)生滑移型巖爆的主要原因，據(jù)此提出了采用聲發(fā)射b值對滑移型巖爆預(yù)警的方法；③剪切速率不僅對節(jié)理峰值強度有較大影響，還顯著影響花崗巖節(jié)理峰后摩擦階段的黏滑幅值，剪切速率越高，黏滑幅值和間隔越小[47-49]。通過對比發(fā)現(xiàn)，目前對于高應(yīng)力下節(jié)理力學(xué)特性和破壞機制的研究還較少，由于高應(yīng)力下脆性巖石會表現(xiàn)出與低應(yīng)力顯著不同的力學(xué)特性，因此需要對不同巖性的巖石節(jié)理在不同外界環(huán)境下(水、熱、化學(xué)、極寒等)開展系統(tǒng)研究。

1.3 節(jié)理卸荷的試驗研究

節(jié)理裂隙巖體在開挖之前處于應(yīng)力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，開挖卸荷作用擾動了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致節(jié)理巖體失穩(wěn)破壞，因此開展不同卸荷條件下節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究對于指導(dǎo)工程施工、防止巖體的突發(fā)性破壞具有重要實際價值和工程意義。夏才初等采用含有天然節(jié)理的花崗巖試件開展了兩種不同應(yīng)力路徑的卸荷三軸試驗，并提出了節(jié)理面加卸載的本構(gòu)關(guān)系和變形參數(shù)的確定方法[50]。李建林等利用模型試驗研究了與卸荷方向成不同夾角的結(jié)構(gòu)面應(yīng)力應(yīng)變曲線、各向異性、尺寸效應(yīng)及流變特性等[51]。王在泉等研究了含天然節(jié)理巖樣加荷和卸荷條件下的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)均可分為穿切節(jié)理面破壞和沿節(jié)理面破壞[52]。王瑞紅等開展了含2條不同間距預(yù)制斷續(xù)節(jié)理巖體的三軸卸荷破壞試驗，發(fā)現(xiàn)與加載試驗相比卸荷時破壞程度更劇烈，卸荷時變形模量大幅下降是等同條件下完整巖石的6～7倍[53]。相比于加荷試驗，節(jié)理巖體卸荷力學(xué)特性的研究較少，并且多集中在低應(yīng)力條件下卸荷作用對節(jié)理靜力剪切滑移的影響，很少考慮卸荷對節(jié)理動力剪切破壞(如滑移型巖爆、斷層型沖擊地壓等)的影響，并且也很少考慮節(jié)理粗糙度、節(jié)理傾角等影響因素。

2 極端環(huán)境下節(jié)理裂隙力學(xué)特性

當(dāng)前隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對巖體工程的安全性和耐久性提出更高的要求。如隨著核電能源所占比例的迅速增加，核廢料的安全處置變得尤為重要，在漫長的衰變過程中，核廢料處置庫常常處于高溫狀態(tài)下；深部地?zé)崛绺蔁釒r同樣賦存于地下幾千米的深度，處于高溫環(huán)境中；地下國防洞室需要抵御高速飛行器的沖擊作用；高寒地區(qū)巖土體介質(zhì)常常遭受低溫和循環(huán)凍融作用，因此開展上述的高溫、凍融和高速(沖擊)載荷等極端環(huán)境下力學(xué)特性的研究具有重要意義。

2.1 沖擊載荷

王衛(wèi)華等對含有不同傾角的預(yù)制貫穿張開裂隙砂漿圓柱體試樣進行霍普金森桿(SHPB)加載試驗，研究裂隙傾角對類巖石試樣的強度與變形特性、裂紋擴展規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)峰值強度隨預(yù)制裂隙傾角變化呈先變大后減小的V字形變化[54]。李地元等在SHPB試驗平臺上對含不同裂隙傾角的圓柱形大理巖試樣進行沖擊加載試驗，并使用高速攝影儀實時記錄了裂紋擴展以及動態(tài)破壞全過程[55]。張偉等通過預(yù)制裂隙砂漿試件模擬工程實際裂隙巖體，采用SHPB試驗裝置對試件進行動力學(xué)試驗，分析了裂隙傾角、裂隙貫通率、圍壓對預(yù)制裂隙試件的力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響[56]。吳浩等將加工有不同裂隙深度、不同裂隙數(shù)量和不同裂隙類別的圓柱形黃砂巖試樣進行動靜組合加載實驗，并借助高速攝像儀觀察裂紋擴展及動態(tài)破壞過程，得到了軸向表面裂隙形態(tài)對巖石動態(tài)力學(xué)特性及破壞模式的影響規(guī)律[57]。

2.2 凍融作用

LU等以裂隙砂巖為研究對象，進行凍融循環(huán)試驗和三軸壓縮試驗，分析凍融循環(huán)0，20，40和60次后的力學(xué)性能，建立了考慮裂縫、圍壓、凍融作用和荷載等因素的單裂隙砂巖三軸抗壓強度退化損傷模型[58]。MU等研究了花崗巖、砂巖和千枚巖節(jié)理多次凍融循環(huán)巖石節(jié)理力學(xué)特性的退化特性，建立了損傷程度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的指數(shù)衰減模型[59]。徐新木等對凍融循環(huán)前后不同連通率節(jié)理巖石試樣進行剪切特性試驗研究，對比分析了凍融前后節(jié)理試樣抗剪強度的衰減趨勢[60]。袁小清等針對寒區(qū)節(jié)理巖體，提出凍融細觀損傷、受荷細觀損傷與節(jié)理宏觀損傷的概念，建立節(jié)理巖體凍融受荷損傷本構(gòu)模型，并引用試驗資料對模型的合理性進行驗證[61]。張晉勛等研究了凍結(jié)條件下(-10 ℃)含平行雙裂隙巖體力學(xué)特性，表明雙裂隙間距、傾角和跡長會影響強度、彈模和裂紋擴展模式[62]。申艷軍等研究了含單裂隙砂巖試樣凍融循環(huán)和周期荷載作用下破壞特征，發(fā)現(xiàn)巖體的損傷及強度與巖體裂隙、凍融作用、周期荷載均有關(guān)聯(lián)[63]。

2.3 高溫作用

ZHAO等對熱處理后的北山花崗巖節(jié)理面開展了在恒定法向應(yīng)力條件下剪切試驗，發(fā)現(xiàn)節(jié)理面剪切剛度和峰值強度均隨著處理溫度的增加而降低，高溫誘發(fā)的熱致微裂紋是影響節(jié)理面剪切行為的主要原因[64]。李璐等對粗糙度相似的花崗巖節(jié)理進行25～400 ℃的不同次數(shù)的循環(huán)熱處理，并在4種不同法向應(yīng)力下對其進行常法向應(yīng)力直剪試驗，根據(jù)試驗曲線分析了節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC及花崗巖節(jié)理的剪切力學(xué)性質(zhì)隨循環(huán)熱處理次數(shù)的變化特性[65]。TANG等將花崗巖裂隙在不同溫度處理后進行直剪試驗，建立了描述熱處理前后節(jié)理面峰值抗剪強度比值的經(jīng)驗方程[66]。徐賠等通過在模擬材料中預(yù)制裂隙的方法模擬天然裂隙巖石，在20～800 ℃的高溫下分析高溫及裂隙傾角對巖體力學(xué)性能的影響并建立了巖石高溫受荷損傷方程[67]。高溫作用下含節(jié)理裂隙力學(xué)特性的研究可查閱到的文獻較少，一方面是由于缺乏高溫條件下的剪切試驗儀器，另外也說明以前的實際工程較少遇到這種高溫環(huán)境。而隨著深部地?zé)崮堋⒏邷馗蔁釒r、深層核廢料處置庫、深埋隧道等工程的開發(fā)，深部地層所處的溫度越來越高(如川藏鐵路桑珠嶺隧道最高實測地溫89.6 ℃)，熱力耦合作用下節(jié)理巖體力學(xué)特性亟需開展深入研究。

3 思考與展望

從上述的分析可見，最近10年來，隨著試驗技術(shù)和試驗監(jiān)測方法的快速發(fā)展，一些新技術(shù)、新方法被應(yīng)用到節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特性的研究當(dāng)中，如數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、微納米CT掃描技術(shù)、3D數(shù)字雕刻技術(shù)、3D打印技術(shù)等，使得節(jié)理裂隙巖體破裂的觀測和監(jiān)測呈現(xiàn)高精度、可視化、形象化等特點。通過以上文獻綜述發(fā)現(xiàn)，對以下問題仍需要開展深入研究：

1)通過水泥砂漿或石膏類材料以及對巖石試件切縫研究裂隙巖體的力學(xué)特性和貫通模式，主要以定性研究為主，而工程現(xiàn)場的節(jié)理裂隙面在幾何形態(tài)、分布方式、力學(xué)特性等方面要復(fù)雜的多，因此采用類巖石材料建立的力學(xué)模型很難直接應(yīng)用到現(xiàn)場結(jié)構(gòu)巖體的穩(wěn)定性分析中。采用切縫方法形成裂隙面雖然為研究上帶來很大的方便，但由于巖石本身強度大、變形小，在小尺寸的試樣上形成的具有一定張開度的裂隙會對巖石試樣的破壞形態(tài)、破壞模式產(chǎn)生較大影響；如何解決這種室內(nèi)試驗與工程巖體尺寸差異、形態(tài)差異、破壞機制差異等(即試驗和實際的不完全匹配性)是目前需要解決的主要問題之一。

2)工程現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)面可能存在張開、閉合等狀態(tài)，而深部巖體工程中，裂隙主要以閉合裂隙為主。而通過切縫、插鋼片等形式制作的節(jié)理裂隙試樣通常具有一定開度，對于剛度較大的材料或巖石，直至試樣發(fā)生破壞，裂隙面仍未閉合。因此在試件整體破壞過程中，裂隙面并沒有壓緊發(fā)生摩擦。而基于試驗現(xiàn)象建立的節(jié)理裂隙巖體的斷裂準則或剪切本構(gòu)模型往往視節(jié)理面為完全閉合裂隙，考慮裂隙面的摩擦作用，這就導(dǎo)致理論預(yù)測值與試驗值存在誤差；另外對于巖體工程廣泛存在的閉合裂隙，其破壞機制與張開裂隙也存在較大差別，基于張開裂隙建立的理論方程很難用來準確分析、預(yù)測閉合節(jié)理裂隙的破壞過程。

3)3D打印技術(shù)可以較精確地制作含有預(yù)制節(jié)理的裂隙試樣，制作試樣效率高、試驗結(jié)果可重復(fù)性強，但目前所采用的打印材料與巖石(尤其硬巖)的力學(xué)性質(zhì)差別較大，預(yù)制節(jié)理試樣的破壞過程不能完全反映真實巖石材料的破壞特點和破壞機制，亟需研制低抗拉強度、高抗壓強度和高脆性的材料模擬巖石，并開展相關(guān)研究。

4)隨著我國大規(guī)模深部巖石力學(xué)工程建設(shè)的開展，巖體所處的埋深越來越大、應(yīng)力越來越高。高應(yīng)力下節(jié)理、斷層等不連續(xù)地質(zhì)構(gòu)造在開挖卸荷作用下滑移容易誘發(fā)滑移型巖爆，通過開展高應(yīng)力條件下室內(nèi)剪切試驗揭示高應(yīng)力下節(jié)理的破壞機制，探索有效的災(zāi)害預(yù)警方法至關(guān)重要。而目前對應(yīng)高應(yīng)力下節(jié)理力學(xué)特性的研究還較少，對不同巖性的節(jié)理在高應(yīng)力下的破壞特點、破壞前兆特征等認識不足，對此還需要開展深入系統(tǒng)的研究。另外對于高應(yīng)力下節(jié)理巖體的破壞準則和理論研究也亟需加強。

5)模型試驗和數(shù)值仿真目前被廣泛用來研究節(jié)理裂隙巖體的錨桿、灌漿等的加固機理和加固參數(shù)設(shè)計等研究，但目前這種支護的研究僅僅局限在對于低應(yīng)力環(huán)境下巖體發(fā)生準靜態(tài)破壞的研究。而在深部高應(yīng)力環(huán)境下圍巖的板裂化破壞與應(yīng)變型巖爆的發(fā)生密切相關(guān)；同時高應(yīng)力下節(jié)理發(fā)生動力剪切破壞瞬時釋放巨大能量，因此需要開展以能量為主要分析參數(shù)的節(jié)理裂隙巖體的支護研究，獲取不同支護結(jié)構(gòu)、支護條件下裂隙巖體積能、耗能的相關(guān)轉(zhuǎn)化關(guān)系，為高應(yīng)力下裂隙巖體誘發(fā)動力災(zāi)害的防護提供指導(dǎo)。

6)研究者通過預(yù)制不同數(shù)量、不同類型(直線型、圓形、方形、橢圓形)、不同分布形式的裂隙開展大量的壓縮或剪切試驗，獲得了諸多有價值的認識。但前期的研究存在大量的重復(fù)性工作，造成大量的資源浪費，試驗獲得的數(shù)據(jù)并沒有上升到理論高度，形成準確、有效的理論模型。建立或完善可以囊括不同裂隙類型的統(tǒng)一斷裂強度理論是節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特性研究的主要目標。

本文論述了有關(guān)節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特性的研究方向、采用的研究方法和取得的相關(guān)成果，著重介紹了最近幾年含節(jié)理裂隙巖體在壓縮和剪切作用下力學(xué)特性的試驗研究方面采用的新方法、新技術(shù)(如DIC技術(shù)、CT掃描、激光掃描、聲發(fā)射高精度定位、3D打印、3D雕刻)、新方向(如高應(yīng)力、高溫度、凍融循環(huán)、高速沖擊荷載下節(jié)理力學(xué)特性)和取得的新進展，尤其探討了目前研究主要存在的問題和仍然需要開展研究的方向，受文章篇幅所限，還有很多相似的研究內(nèi)容未能一一列出，希望本文的研究內(nèi)容能對相關(guān)科研人員開展后續(xù)的節(jié)理裂隙力學(xué)行為研究提供指導(dǎo)和參考。