張 波，楊學英，李術才，郭 帥，唐鵬越，李海燕，楊 磊，孫懷鳳，王書剛

(1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061; 2.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061; 3.山東城市建設職業(yè)學院 工程管理系，山東 濟南 250014)

含兩組疊置X型裂隙類巖石材料單軸拉伸破壞特征

張 波1,2，楊學英3，李術才1,2，郭 帥1，唐鵬越2，李海燕2，楊 磊2，孫懷鳳2，王書剛2

(1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061; 2.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061; 3.山東城市建設職業(yè)學院 工程管理系，山東 濟南 250014)

含裂隙巖石/類巖石試件在單軸壓縮下的破壞特征已有較多研究，但對含X型裂隙試件單軸拉伸下的破壞特征尚無研究結論。對含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件進行了單軸拉伸試驗，并與對應試件單軸壓縮情況的已有實驗結果進行了對比，研究了含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸下的巖橋貫通行為及強度特征。研究結果表明：含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉、壓作用下的破壞模式及巖橋貫通模式表現(xiàn)不同，在單軸拉伸作用下含兩組疊置X型裂隙類巖石試件巖橋處不會出現(xiàn)貫通現(xiàn)象;含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件的次裂隙位置影響試件單軸拉伸強度，在主裂隙位置固定情況下，次裂隙角度與最大拉應力方向垂直時試件強度最低，次裂隙角度與最大拉應力方向相同時試件強度最高。

類巖石材料;X型裂隙;單軸拉伸;破壞特征

目前的研究已表明，對于含裂隙巖體在拉、壓荷載下的破壞行為，都是從裂隙尖端的啟裂開始，隨著荷載加大，裂隙擴展直至試件破壞[1]。

多裂隙巖體在單軸及多軸受壓下的裂隙擴展及巖橋貫通行為有眾多學者進行了深入研究。WONG[2]，朱維申[3]用類巖石材料，李銀平[4]采用含預制裂紋大理巖試件，徐濤[5]，Zhiyu LI[6]用數(shù)值手段，研究了雁行裂隙在單軸壓縮下的巖橋貫通行為，得到了巖橋貫通的4種模式：剪切模式、混合模式、張拉模式和無貫通模式。趙永紅[7]對含兩條雁行預制裂隙的大理巖平板試件進行了單軸壓縮實驗，WONG[8]用類巖石材料研究了含3條平行裂隙試件巖橋貫通規(guī)律，蒲成志等[9]進行了單軸壓縮下含多裂隙類巖石材料的強度試驗及數(shù)值分析，研究認為裂隙位置，傾角及裂隙之間的間距都會影響試件斷裂破壞強度。

抗拉性能作為巖石材料的重要力學特征，眾多學者通過巴西圓盤或直接拉伸試驗對巖體抗拉性能進行了研究。李果[10]，王啟智[11]，趙毅鑫[12]用巴西圓盤劈裂實驗有效研究了完整及含單一裂隙脆性巖石的彈性模量、拉伸強度和斷裂韌度KIc。楊圣奇[13]利用顆粒流(PFC)建立了巴西圓盤實驗模型，分析了斷續(xù)雙裂隙的裂紋擴展情況，研究認為巖橋長度影響翼形裂紋的擴展程度。何滿潮[14]采用鋼絲墊條、直接加壓、弧形模具的加載方式，對砂巖、泥巖進行了大量的巴西圓盤劈裂試驗，研究表明采用不同的加載方式，測定的巖石抗拉強度差別很大，主要原因是因為加載板和試件間存在摩擦力等因素影響。張少華[15]，尤明慶[16]，劉建鋒[17]分別采用直接拉伸和巴西劈裂法研究了巖石的拉伸力學特性，研究認為直接拉伸試驗得到的結果更加真實反映巖石的抗拉強度特性。張緒濤[18]研制了巖石軸向直接拉伸試驗裝置并對完整試件及含單一裂隙試件進行了直接拉伸試驗。李地元[19]，張澤天[20]對巖樣進行了單軸拉伸試驗，得到了巖石的拉伸力學性能。

從目前的研究文獻可知，對于含裂隙巖體力學性能的研究，大部分都是以含單一裂隙或雁行裂隙試件進行研究，對于巖體工程中大量存在的X型裂隙，僅有部分研究人員對其在壓縮下的力學性能進行了研究。劉東燕等[21]用實驗研究了雙向壓縮下的含X型裂隙類巖體材料的巖橋貫通及強度特征，認為含X型裂隙巖體強度高于含單一裂隙巖體。筆者等[22]對含X型裂隙巖體的力學性能及破壞機理進行了詳細研究，研究結果認為含X型裂隙巖體壓縮強度高于含單一裂隙巖體是有條件的，主次裂隙夾角的改變影響含X型裂隙巖體單軸壓縮強度，當次裂隙的位置對剪切破壞裂隙的擴展有抑制作用時，含交叉裂隙巖體壓縮強度高于含單一裂隙巖體。

巖體等脆性材料在拉伸作用下產(chǎn)生破壞的突然性要遠超過受壓情況，更顯研究巖體受拉性能的重要性。但是到目前為止，對于含X型裂隙的巖體，在受拉荷載作用下的破壞特征，還沒有任何文獻報道。本文用類巖石材料制作含X型裂隙試塊，進行直接拉伸試驗，研究含兩組疊置X型裂隙類巖石材料在單軸拉伸荷載下的力學行為，得到拉伸情況下的巖橋貫通特征及強度特征，并與已有的單軸受壓實驗結果進行對比，對巖體工程理論和實踐有一定幫助作用。

1 含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸試驗

本研究用類巖石材料模擬含裂隙巖石，進行單軸拉伸試驗。類巖石材料用水泥砂漿制作，水泥∶砂子∶水=1∶2∶0.5(質量比)，其中水泥為425號水泥，砂子粒徑小于1.25 mm。水泥砂漿初凝后(3 h)在試塊上插刀片(刀片厚度0.5 mm)，刀片在70 mm厚度方向穿透試塊，形成穿透性裂隙，刀片在試塊中保持30 min后拔出，形成預置裂隙。

試塊示意圖如圖1所示，為進行對比，本文在研究含兩組疊置X型裂隙試件(圖1(b))單軸受拉的同時，也制作了含兩條單一裂隙試件(圖1(a))。本實驗采用長方體試件，試件尺寸：長×寬×高=70 mm×70 mm×140 mm。圖1中①，②，③及④分別表示4條預置裂隙，含兩條單一裂隙試件僅含裂隙①和③。在X型裂隙中裂隙①和③被定義為主裂隙，長度為30 mm，裂隙②和④被定義為次裂隙，長度為20 mm。兩組裂隙中心垂直間距為30 mm，裂隙中心位于樣品縱向軸線上。α是主裂隙與水平方向的夾角，α在本研究中被固定在45°，β是主裂隙與次裂隙的夾角，在本研究中β以15°的增量從0°到165°變化，具體工況見表1。每個工況制作2個試塊，試塊制作后于模具中靜置12 h后取出，在相對濕度大于50%，溫度為(20±1) ℃的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，取2個試件強度的算術平均值作為試件強度，當2個試件強度的平均值與任一試件強度之差超過平均值的5%時，該組試件作廢。

圖1 含兩條平行裂隙及兩組疊置X型裂隙試件示意Fig.1 Schematic diagram of specimens with two parallel flaws and two overlapped X-type flaws

編號L13/mmL24/mmα/(°)β/(°)C130C2302015C3302030C4302045C5302060C630204575C7302090C83020105C93020120C103020135C113020150C123020165

注：無次裂隙的工況C1表示含兩條平行單一裂隙試件;L13為圖1中主裂隙①和③的長度;L24為圖1中次裂隙②和④的長度。

加載設備采用伺服拉壓試驗機(設備型號為時代試金WDW-100E試驗機)，如圖2所示，該設備搭載自主研發(fā)的軸向對中裝置[18]，可以解決單軸拉伸中的偏心問題。加載采用位移加載，加載速率0.1 mm/min。試件粘接劑采用高強結構膠，該結構膠可用于結構加固時混凝土基體與鋼板材的粘接，常溫下結構面抗拉強度超過25 MPa。

圖2 加載設備Fig.2 Testing equipment

2 含兩組疊置X型裂隙試件單軸拉伸破壞模式及巖橋變形特征

2.1 含兩組疊置X型裂隙單軸拉伸破壞模式及巖橋貫通特征

含兩組疊置X型裂隙試件單軸拉伸破壞模式見圖3(表示工況(1)～(12)的破壞模式)。

由圖3可以看出，裂隙擴展方向與最大拉應力方向垂直，所有測試試件單軸拉伸情況下未出現(xiàn)巖橋貫通情況，所有破壞均在一組裂隙處發(fā)生，未與第二組裂隙產(chǎn)生干涉。隨著次裂隙位置的變化，裂隙破壞斷面由“_/ˉ”字形向“一”字形變化。裂隙啟裂與擴展以主裂隙裂尖為主，占試件比例數(shù)的8/12，裂隙從主、次裂隙處啟裂占試件總數(shù)的4/12，沒有全部從次裂隙裂尖啟裂的試件。裂隙從主、次裂隙處啟裂分2種情況：① 次裂隙位置接近最大主應力的垂直方向，如圖3(j)所示，工況C10;② 主、次裂隙與最大主應力方向的夾角比較接近，如圖3(e)，(f)和(g)所示，工況C5，C6和C7。

由實驗觀察可以看出，單軸受拉狀態(tài)下，裂隙啟裂與試件拉斷破壞的時間間隔非常短，裂隙擴展以非穩(wěn)定擴展完成。雖然結構是對稱的，但由于本文所用的類巖石材料是脆性材料，在單軸受拉的條件下，裂隙擴展是非穩(wěn)定擴展，上組或下組裂隙中只要有一組產(chǎn)生了啟裂，啟裂后裂隙以高速擴展導致試件破壞，不會給另一組裂隙擴展的機會和時間，因此導致破壞裂隙只在一組裂隙中出現(xiàn)。但在含兩組裂隙試件單軸壓縮實驗中，由于裂隙擴展有明顯的穩(wěn)定擴展和非穩(wěn)定擴展階段，因此上下兩組裂隙都會產(chǎn)生啟裂及擴展，這是含兩組裂隙試件單軸拉伸試驗與壓縮的不同。

2.2 單軸拉、壓情況下巖橋貫通模式對比

由已有對單軸受壓情況下的研究成果可知[3]，含雁行裂隙試件巖橋貫通分4種類型：剪切型，張拉型，混合型(剪切與張拉混合)及無貫通4種，前3種貫通形式如圖4(a)，(b)及(c)所示。筆者對含兩組交叉裂隙類巖石材料試件進行了單軸壓縮試驗，試件巖橋貫通模式如圖4(d)，(e)及(f)所示，根據(jù)巖橋貫通的裂隙形式可判斷貫通裂隙屬剪切型(圖4(d))及張拉型巖橋貫通模式(圖4(e)和(f))。

圖3 各工況破壞模式Fig.3 Failure mode of every testing condition

圖4 單軸壓縮情況下巖橋貫通模式Fig.4 Coalescence modes of specimens under uniaxial compression

由本文的實驗結果可以看出，含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸受拉情況下巖橋無貫通(圖3)。

在單軸受壓及拉伸情況下巖橋貫通形式有此不同，原因如下：單軸受壓情況下巖橋處裂尖會產(chǎn)生翼裂紋(張拉裂隙)與二次裂隙(剪切裂隙)，翼裂紋以啟裂角啟裂后，向最大壓應力方向(豎直方向)擴展，隨著荷載增大，巖橋處上下兩裂尖產(chǎn)生的沿接近豎向的裂隙擴展至裂隙連通，從而實現(xiàn)巖橋的張拉型(圖4(c)，(e)及(f))及混合型貫通(圖(b));當兩條雁行裂隙位置接近一條直線時，翼裂紋的擴展不能形成貫通，二次裂隙的擴展產(chǎn)生剪切裂隙控制的巖橋貫通(圖4(a)及(d))。而在單軸受拉情況下，裂尖處的裂隙擴展方向與最大拉應力方向垂直，沿接近水平方向擴展，不會產(chǎn)生向下(或向上)的裂隙擴展，也不會產(chǎn)生剪切裂隙，所以含兩組疊置X型裂隙試件在單軸受拉情況下不會產(chǎn)生巖橋貫通行為。

3 含X型裂隙巖石試件單軸拉伸強度及單軸拉壓強度對比分析

3.1 含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸峰值強度

本研究各測試工況下的應力-應變關系如圖5所示，峰值強度，破壞應變及拉彈模列于表2。各工況下主次裂隙夾角β與強度、破壞應變及拉伸彈性模量關系如圖6～8所示。

從圖5及表2可以看出，含單一裂隙試件單軸拉伸強度高于含交叉裂隙試件，這與文獻[21-22]對含交叉裂隙試件單軸壓縮時的規(guī)律有所不同，在單軸壓縮情況下，含交叉裂隙試件在較多工況下單軸壓縮強度高于含單一裂隙試件。在單軸拉伸情況下，含交叉裂隙試件強度低于含單一裂隙試件。

圖5 各工況應力-應變關系Fig.5 Stress-strain relations of testing conditions

工況強度/MPa破壞應變拉伸彈性模量/MPaC10961000401302515C20857000515222333C30771000494171621C40900000629158412C50763000386452727C60745000517312687C70807000431302939C80563000392280389C90492000380301433C100457000354171697C110602000515169119C120754000557207875

圖6 各工況β角-強度曲線Fig.6 β-strength curve of all testing conditions

圖7 各工況β角-破壞應變曲線Fig.7 β-failure strain curve of all testing conditions

圖8 各工況β角-拉伸彈性模量曲線Fig.8 β-tensile elastic modulus curve of all testing conditions

由圖6～8可以看出，主次裂隙夾角β對強度、破壞應變及拉伸彈性模量都有影響，但是影響規(guī)律不同。當β角在135°時(工況C10)，即次裂隙與最大拉應力方向垂直時，試件強度最低(圖6)，破壞應變也最小(圖7)。出現(xiàn)這種影響的原因是當次裂隙與最大拉應力方向垂直時，次裂隙裂尖的受拉裂隙與其他工況相比最易啟裂并擴展，因此此時強度最低，此時的破壞應變也最低。當β角在45°時(工況C4)，即次裂隙與最大拉應力方向相同時，強度最高(圖6)，破壞應變也最高(圖7)。其原因是當次裂隙與最大拉應力方向相同時，次裂隙裂尖最不易啟裂及擴展，因此此時強度最高。由于類巖石材料的脆性特征，類巖石材料在受拉時應力達到峰值后，應力-應變曲線呈接近鉛錘降落，且曲線在峰值應力前段有很強的線性關系(圖5)。β角在45°時試件具有最大的破壞應變，而β角在135°時具有最小的峰值應力，由于彈性模量是線性段應力與應變的比值，因此這兩個工況出現(xiàn)了較低的拉伸彈性模量(圖8)，其中β角在45°時拉伸彈性模量最低。但是由于拉伸彈性模量同時取決于應力與應變這兩個量的值，因此作者認為β角對拉伸彈性模量的最大/最小值的影響有一定的不確定性。

3.2 單軸壓縮及拉伸下的含X型裂隙巖體強度對比

本文實驗工況下，受拉情況下含X型裂隙試件抗拉強度低于含單一裂隙試件，這一點與受壓時含交叉裂隙試件強度規(guī)律不同，受壓情況下，含X型裂隙試件在多種工況下出現(xiàn)了高于含單一裂隙試件的強度[21-22]。

單軸壓縮及拉伸下的含X型裂隙巖體力學特征有此不同，原因如下：圖9是含單一裂隙及疊置X型裂隙試件在單軸壓縮及單軸拉伸情況下破壞模式，由圖9(a)，(b)及(c)及文獻[22]的分析可以看出，受壓情況下，次裂隙的出現(xiàn)在部分情況下，能使穩(wěn)定擴展的翼裂紋擴展幅度增大，同時剪切裂隙的擴展得到一定程度的抑制，而含裂隙試件單軸受壓破壞控制路徑是剪切裂隙，因而次裂隙的出現(xiàn)部分情況下能對單軸壓縮試件起到提高強度的作用;由圖3及圖9(d)，(e)可以看出，單軸受拉情況下的含X型裂隙試件，其破壞過程不會出現(xiàn)剪切裂隙，次裂隙的出現(xiàn)不能起到抑制剪切裂隙擴展的作用，因而在單軸受拉情況下未出現(xiàn)含交叉裂隙試件強度高于含單一裂隙試件強度的現(xiàn)象。

圖9 含單一裂隙及疊置X型裂隙試件在單軸壓縮及單軸拉伸情況下破壞模式Fig.9 Failure modes of specimens with a single or X-type flaw/flaws under uniaxial compression and uniaxial tension (a),(b)及(c)是文獻[22]中單軸壓縮破壞模式;(d)及(e)是本文單軸拉伸試驗結果

4 結 論

(1)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下破壞模式及巖橋貫通模式與壓縮作用下表現(xiàn)不同。

(2)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下巖橋處不會出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。

(3)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下次裂隙位置影響試件強度。

(4)在主裂隙位置固定情況下，含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件次裂隙角度與最大拉應力方向垂直時強度最低;次裂隙角度與最大拉應力方向相同時強度最高。

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Uniaxialtensilefailurepropertiesofrock-likespecimenswithtwooverlappedX-typeflaws

ZHANG Bo1,2，YANG Xueying3，LI Shucai1,2,GUO Shuai1,TANG Pengyue2,LI Haiyan2,YANG Lei2, SUN Huaifeng2,WANG Shugang2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 2.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 3.DepartmentofEngineeringManagement,ShandongUrbanConstructionVocationalCollege,Jinan250014,China)

Although the failure properties of rock/rock-like specimens with flaws under uniaxial compression have been studied in many cases,those properties of specimens with X-type flaws under uniaxial tension have not been researched yet.In this research the crack coalescence and strength properties were studied with rock-like material specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The testing results were compared with uniaxial compression results of specimens containing corresponding flaws.The study results show that the failure and coalescence modes of specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests are different from those with specimens under uniaxial compression tests.There is no crack coalescence at the rock bridge areas of specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The position of the secondary flaw influences the strength of specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The specimen with a second flaw vertical to the maximum tension stress has the lowest tension strength among specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The tension strength of the specimen with a second flaw parallel to the maximum tension stress is the highest one among the specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.

rock-like material;X-type flaws;uniaxial tension;failure property

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1676

TD313

:A

:0253-9993(2017)08-1987-07

國家自然科學基金面上資助項目(51379114,41672281);國家自然科學基金青年基金資助項目(51509146)

張 波(1977—)，男，山東濟南人，副教授，博士。E-mail:zhangbo1977@sdu.edu.cn

張波，楊學英，李術才，等.含兩組疊置X型裂隙類巖石材料單軸拉伸破壞特征[J].煤炭學報,2017,42(8):1987-1993.

ZHANG Bo，YANG Xueying，LI Shucai，et al.Uniaxial tensile failure properties of rock-like specimens with two overlapped X-type flaws[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1987-1993.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1676