， ,2

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000)

1 研究背景

在大量的工程建設(shè)中，不可避免地會(huì)遇到一系列的巖石材料，由于長(zhǎng)期的地質(zhì)作用，這些材料往往含有大量斷層、節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面，這些不連續(xù)面對(duì)巖體的力學(xué)性能有著重要的影響。為了深入地了解裂隙巖體的力學(xué)特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-14]對(duì)裂隙進(jìn)行各種簡(jiǎn)化、分類，其中含單裂隙巖體作為裂隙巖體研究的基礎(chǔ)，有眾多學(xué)者[1-11]對(duì)其有過(guò)研究。目前，對(duì)含單裂隙巖體的研究主要是通過(guò)對(duì)真實(shí)裂隙巖體試樣或類巖材料試樣進(jìn)行加載以及采用數(shù)值模擬等方法來(lái)進(jìn)行。Lee等[1]利用不同材料的含單雙裂隙的巖體進(jìn)行了一系列單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不同材料試樣中的裂隙擴(kuò)展、貫通模式差異及試樣的起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力等變化規(guī)律。林鵬等[2]通過(guò)對(duì)含預(yù)制單裂隙的花崗巖試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂隙傾角對(duì)裂紋的擴(kuò)展和最后的破壞行為有較大的影響。黃達(dá)等[3]利用PFC2D對(duì)單裂隙砂巖單軸壓縮的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行探究，試驗(yàn)中觀察到裂紋首先在裂隙尖端出現(xiàn)，起裂形式為Ⅰ型翼裂紋，翼裂紋擴(kuò)展一段長(zhǎng)度后偏向巖樣外側(cè)，大致沿裂隙傾角方向拉剪復(fù)合貫通；還發(fā)現(xiàn)裂隙的擴(kuò)展模式與裂隙傾角及加載速率有關(guān)。顧成富等[4]運(yùn)用巖石破裂失穩(wěn)軟件RFPA2D對(duì)含單裂隙巖樣進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，研究了裂隙的分布位置及走向?qū)r石試件破裂過(guò)程的影響。蔣明鏡等[5]通過(guò)含裂隙巖體的離散元數(shù)值分析，研究了巖石裂紋的擴(kuò)展與貫通機(jī)制。明華軍等[6]通過(guò)顆粒離散元數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了裂隙張開(kāi)度對(duì)巖樣破壞過(guò)程和破壞模式的影響。Wang等[7]通過(guò)大理巖試樣的單軸壓縮試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了大理巖試樣中裂隙尖端X型剪切裂紋的產(chǎn)生。Huang等[8]在含單裂隙大理巖試樣的單軸壓縮試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加載過(guò)程中共有5種類型的裂紋產(chǎn)生。Wong等[9]對(duì)比分析了多位學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)自己對(duì)石膏和花崗巖試樣的試驗(yàn)，對(duì)含單裂隙巖體的破壞模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;根據(jù)對(duì)高速攝像機(jī)記錄的試驗(yàn)過(guò)程的分析，將加載過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋分為7種類型，如圖1所示。

圖1 萌生裂紋的7種類型Fig.1 Seven types of initiated cracks

以上研究多為單軸壓縮作用下貫通型裂隙的試驗(yàn)，除此之外，還有很多三軸壓縮、非貫通裂隙的研究。譬如：郭彥雙等[10]采用含張開(kāi)型表面裂隙的輝長(zhǎng)巖試樣，對(duì)單軸壓縮條件下試樣的破壞模式進(jìn)行了一系列研究；肖桃李等[11]通過(guò)在類巖材料模型中預(yù)制相應(yīng)的裂隙，研究了三軸壓縮條件下試樣的破壞特性。在含預(yù)制單裂隙試樣的試驗(yàn)研究中，大部分是關(guān)于裂紋起裂、擴(kuò)展及試樣破壞等裂紋模式探究方面的，而對(duì)試樣破壞強(qiáng)度的系統(tǒng)性研究較少。為此，本文利用FLAC3D建立相應(yīng)模型，對(duì)多組含預(yù)制裂隙的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究裂隙的幾何參數(shù)對(duì)巖樣破壞模式及強(qiáng)度的影響。

圖3 劃分網(wǎng)格后模型Fig.3 Mesh-divided model

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

圖2 模型平面圖Fig.2 Plane figure ofmodel

為了研究單裂隙幾何參數(shù)與試樣破壞模式及強(qiáng)度之間的關(guān)系，本文建立如圖2所示含單裂隙的試樣模型。模型長(zhǎng)和寬均為200 mm，考慮到計(jì)算時(shí)間問(wèn)題，在y向取1 mm，即按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮。其中a為裂隙長(zhǎng)度，β為裂隙傾角(裂隙與水平方向的夾角)，t為裂隙張開(kāi)度(厚度)。

利用AutoCAD和ANSYS[15]建立相應(yīng)的網(wǎng)格并劃分模型，然后導(dǎo)入FLAC3D，最終得到的模型如圖3。

試驗(yàn)沿z軸加載，并且在上下加載面施加z向約束；在模型前后表面施加y向約束，以保證平面應(yīng)變條件。試樣的材料模型采用FLAC3D中自帶的應(yīng)變軟化模型。這是由于在加載過(guò)程中應(yīng)變的增大導(dǎo)致巖石試樣性能劣化，甚至產(chǎn)生裂紋，而這些過(guò)程可以通過(guò)應(yīng)變軟化模型里的參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)巖樣內(nèi)產(chǎn)生裂紋時(shí)，裂紋面處的巖石是沒(méi)有抗拉強(qiáng)度的，因此就可以設(shè)置當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ㄖ岛?，單元體的抗拉強(qiáng)度變?yōu)?，以此來(lái)模擬裂紋的產(chǎn)生。本文試樣模型參數(shù)參考FLAC3D用戶手冊(cè)[16]。取值如表1，強(qiáng)度參數(shù)隨塑性應(yīng)變?cè)龃蠖兓那闆r如表2。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of model

表2 強(qiáng)度參數(shù)變化Table 2 Changes of mechanical properties

針對(duì)3個(gè)不同的幾何參數(shù)：裂隙長(zhǎng)度(5，10，20，40，60，80 mm)、裂隙傾角(0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°)、裂隙張開(kāi)度(0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.4，1.8 mm)，設(shè)計(jì)以下6組試驗(yàn)方案：

(1)固定張開(kāi)度不變?yōu)?.0 mm，以不同的傾角為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙長(zhǎng)度變化的規(guī)律。

(2)固定傾角不變?yōu)?°，以不同的張開(kāi)度為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙長(zhǎng)度變化的規(guī)律。

(3)固定張開(kāi)度不變?yōu)?.4 mm，以不同長(zhǎng)度為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙傾角變化的規(guī)律。

(4)固定長(zhǎng)度不變?yōu)?0 mm，以不同張開(kāi)度為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙傾角變化的規(guī)律。

(5)固定傾角不變?yōu)?0°，以不同長(zhǎng)度為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙張開(kāi)度變化的規(guī)律。

(6)固定長(zhǎng)度不變?yōu)?0 mm,以不同傾角為系列，觀察峰值應(yīng)力隨裂隙張開(kāi)度變化的規(guī)律。

3 裂隙傾角對(duì)單裂隙試樣破壞模式的影響

從6組試驗(yàn)中抽取部分結(jié)果，分析裂隙傾角對(duì)單裂隙試樣破壞模式的影響。其中裂隙長(zhǎng)度為40 mm，裂隙張開(kāi)度為0.2 mm。

3.1 裂隙傾角為0°

當(dāng)預(yù)制裂隙傾角0°時(shí)，大約在0.27σc(σc為試樣單軸抗壓強(qiáng)度)左右，裂隙中部出現(xiàn)拉伸破壞單元，這是由于張開(kāi)裂隙在壓縮過(guò)程中，裂隙內(nèi)表面處于受彎的狀態(tài)，致使表面發(fā)生拉伸破壞。隨著加載過(guò)程的進(jìn)行，預(yù)制裂隙面上出現(xiàn)大量密集的拉伸破壞單元，越靠近中部相對(duì)越密集，并不斷發(fā)育形成優(yōu)勢(shì)裂紋。繼續(xù)加載至0.54σc左右時(shí)，如圖4(a)，中部的拉伸裂紋停止擴(kuò)展，尖端處開(kāi)始出現(xiàn)明顯的剪切破壞單元，并不斷增多進(jìn)而形成剪切裂紋。在初始階段，剪切裂紋從尖端向上下同時(shí)擴(kuò)展，隨著荷載的增加，裂隙右端上下都有剪切裂紋擴(kuò)展，而左端只有向下的裂紋，并且由圖4(b)可看出這些由尖端萌生出的裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，并不是單一形式的，而是拉剪復(fù)合破壞。隨后在裂隙右部尖端，于尖端上方距尖端一定距離處出現(xiàn)剪切區(qū)域并逐漸形成剪切裂紋，向內(nèi)外同時(shí)擴(kuò)展，特別是向內(nèi)，則擴(kuò)展至裂隙尖端。最后優(yōu)勢(shì)裂紋不斷擴(kuò)展至試樣邊界，如圖4(c)，進(jìn)而達(dá)到峰值應(yīng)力。

圖4 裂隙傾角為0°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.4 Crack development with inclination angle 0°

3.2 裂隙傾角為15°

當(dāng)裂隙傾角為15°時(shí)，在加載過(guò)程中，首先在尖端附近出現(xiàn)沿裂隙面的拉伸破壞單元。隨著荷載不斷增加，這些拉伸破壞不斷發(fā)育，在距尖端一定距離處產(chǎn)生近乎垂直于預(yù)制裂隙面的拉伸裂紋并不斷擴(kuò)展，如圖5(a)，這也就是常見(jiàn)的拉伸翼裂紋。之后拉伸裂紋停止擴(kuò)展，端部剪切裂紋開(kāi)始萌生并不斷擴(kuò)展，如圖5(b)。在剪切裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，伴隨著一定量的拉伸破壞，最后形成近似“X型”的剪切裂紋，貫通巖樣進(jìn)而達(dá)到峰值應(yīng)力，如圖5(c)。

圖5 裂隙傾角為15°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.5 Crack development with inclination angle 15°

圖6 裂隙傾角為30°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.6 Crack development with inclination angle 30°

3.3 裂隙傾角為30°，45°

當(dāng)裂隙傾角為30°和45°時(shí)，試樣的破壞模式基本一致。加載到0.2σc左右時(shí)，裂隙端部附近出現(xiàn)拉伸破壞單元，并不斷發(fā)育為拉伸翼裂紋。翼裂紋剛開(kāi)始與預(yù)制裂隙幾乎垂直，隨著荷載增加，逐漸偏向最大主應(yīng)力的方向，如圖6和圖7。

圖7 裂隙傾角為45°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.7 Crack development with inclination angle 45°

在翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，端部剪切破壞單元逐漸增多，并不斷發(fā)育，形成Ⅰ型剪切裂紋(即文獻(xiàn)[9]中提到的7種裂紋之一，下文中裂紋名稱都參照文獻(xiàn)[9])。最后剪切裂紋擴(kuò)展并貫通巖樣，進(jìn)而達(dá)到峰值應(yīng)力。兩者不同的是，當(dāng)裂隙傾角為45°時(shí)拉伸翼裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度相對(duì)較短。

圖8 裂隙傾角為60°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.8 Crack development with inclination angle 60°

3.4 裂隙傾角為60°

當(dāng)裂隙傾角為60°時(shí)，加載到大概0.14σc時(shí)，首先在裂隙尖端出現(xiàn)剪切破壞單元。然后端部出現(xiàn)拉伸單元，隨后近似出現(xiàn)很短的拉伸翼裂紋，如圖8(a)。

然后在端部隨即開(kāi)始萌生出Ⅰ型剪切裂紋，剪切裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，伴隨少量的拉伸破壞單元。加載到0.89σc左右，逐步出現(xiàn) Ⅱ 型和 Ⅲ 型剪切裂紋，如圖8(b)，但之后的過(guò)程中，下部尖端處的 Ⅰ 型裂紋向外發(fā)生偏折，和Ⅱ型裂紋匯聚，共同向下擴(kuò)展，與Ⅲ型裂紋一起形成“X型”剪切破壞。之后整個(gè)裂紋貫通，試樣破壞，進(jìn)而達(dá)到峰值應(yīng)力，如圖8(c)。

3.5 裂隙傾角為75°

當(dāng)裂隙傾角為75°時(shí)， 起裂應(yīng)力變得較大， 加載到0.19σc左右時(shí)， 首先在尖端出現(xiàn)拉伸破壞單元， 緊接著尖端又產(chǎn)生剪切破壞。 但是在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)， 裂隙尖端并沒(méi)有形成相對(duì)宏觀的裂紋破壞， 沒(méi)有觀察到拉伸翼裂紋的產(chǎn)生。 直到0.68σc左右時(shí)， 尖端的剪切單元增多并相互貫通， 萌生形成整體的裂紋， 主要形式為Ⅱ型和Ⅲ型剪切裂紋， 如圖9(a)。 隨著加載的不斷進(jìn)行， Ⅲ型裂紋沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)展， 而主要以Ⅱ型剪切裂紋的方式(如圖9(b))不斷向試樣邊界擴(kuò)展， 最終達(dá)到峰值應(yīng)力， 如圖9(c)。

圖9 裂隙傾角為75°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.9 Crack development with inclination angle 75°

3.6 裂隙傾角為90°

當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，其起裂應(yīng)力急劇增大，比其他角度情況下的峰值應(yīng)力還要高，加載到0.9σc左右時(shí)，第一次在尖端附近出現(xiàn)剪切破壞單元。隨后并沒(méi)有像常見(jiàn)的那樣沿加載方向發(fā)生張拉劈裂破壞，而是在裂隙兩側(cè)迅速出現(xiàn)剪切破壞區(qū)域并擴(kuò)展至裂隙尖端，在裂隙周圍形成菱形核狀區(qū)域，如圖10(a)。同時(shí)試樣兩側(cè)邊界處出現(xiàn)剪切帶，并逐漸向中心區(qū)域擴(kuò)展，如圖10(b)，此時(shí)試樣已經(jīng)達(dá)到峰值應(yīng)力。接下來(lái)以中部菱形剪切區(qū)域?yàn)橹行?，逐漸向四周以剪切破壞形式不斷擴(kuò)展，這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力迅速跌落，試樣表現(xiàn)出明顯的脆性，最后試樣呈現(xiàn)出整體性的“X型”剪切破壞，如圖10(c)(此時(shí)達(dá)到殘余強(qiáng)度σr)。

圖10 裂隙傾角為90°時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.10 Crack development with inclination angle 90°

3.7 不含裂隙的完整試樣

對(duì)于不含裂隙的完整試樣，加載到0.97σc左右，在試樣邊界處首先出現(xiàn)剪切破壞單元。然后與90°相似，在試樣左右兩側(cè)邊界處出現(xiàn)剪切區(qū)域，如圖11(a)，并逐漸形成優(yōu)勢(shì)裂紋，此時(shí)試樣已經(jīng)達(dá)到峰值應(yīng)力。此后，裂紋不斷由邊界向中心區(qū)域失穩(wěn)擴(kuò)展，應(yīng)力迅速跌落。與90°裂隙試樣相比，峰值應(yīng)力幾乎一樣，而在破壞模式上，稍有差異，但是大致都呈現(xiàn)出相似的X型破壞(如圖11(b) 、圖11(c))。

另外在大部分試驗(yàn)中，裂紋貫通試樣后，并沒(méi)有立即完全達(dá)到峰值應(yīng)力，而是發(fā)生向試樣兩側(cè)的彎折，在端部發(fā)生“破壞”。這一現(xiàn)象與Lee等[1]的模擬結(jié)果較為類似，如圖12。這些“裂紋”在前人研究成果[1,17-18]中被稱作“White Patch”或“White Belts”，這些“裂紋”是由于在荷載作用下，巖樣本身內(nèi)部的微裂紋不斷發(fā)育的外在表現(xiàn)。隨著荷載增加，這些白帶并不會(huì)絕對(duì)形成肉眼可見(jiàn)的宏觀裂紋。

圖12 文獻(xiàn)[1]中PFC模擬結(jié)果Fig.12 PFC simulation results in Reference [1]

綜合上述8個(gè)試樣的裂紋生成、擴(kuò)展、貫通過(guò)程，與前人的研究結(jié)果[1-4,7-9]基本類似——常見(jiàn)的拉伸翼裂紋其擴(kuò)展長(zhǎng)度是有限的，并不會(huì)導(dǎo)致試樣破壞，真正導(dǎo)致試樣破壞的是后期的剪切裂紋或拉剪復(fù)合型裂紋，其中主要形式表現(xiàn)為Ⅰ型剪切裂紋或Ⅰ型、Ⅲ型共同形成的“X型”剪切裂紋。并且隨著角度增大(15°～75°)，拉伸翼裂紋的長(zhǎng)度不斷變小。此外拉伸翼裂紋的生成并不一定在裂隙尖端，譬如在裂隙傾角為15°時(shí)，如圖5(a)，翼裂紋從距尖端一定距離處出現(xiàn)，隨著裂隙傾角的增大，翼裂紋出現(xiàn)位置逐漸向尖端靠近。因此可驗(yàn)證本文結(jié)果的有效性。

其次，在試驗(yàn)過(guò)程中還得到了上述試樣加載的應(yīng)力-位移曲線，如圖13。與巖石單軸壓縮的強(qiáng)度-位移曲線類似，有明顯的壓密段、彈性段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展段、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段和峰后殘余段。且由圖13可知裂隙傾角較小的試樣，峰值應(yīng)力較小，同時(shí)峰后表現(xiàn)出明顯的延性。隨著裂隙傾角的增大，試樣的峰值應(yīng)力不斷增大，同時(shí)試樣的脆性也越明顯，在峰后產(chǎn)生更大的應(yīng)力降落。并且由加載曲線可以更加直觀地看到，裂隙傾角為90°的試樣與不含裂隙的完整試樣的加載曲線幾乎完全重合，這再次說(shuō)明了兩者破壞模式的一致性，說(shuō)明當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，裂隙對(duì)試樣的影響較小。

圖13 應(yīng)力-位移曲線Fig.13 Curves of stress versus displacement

圖14 單裂隙巖體峰值應(yīng)力隨裂隙長(zhǎng)度的變化Fig.14 Curves of peak stress versus flaw length for single-flawed rock

4 裂隙幾何參數(shù)對(duì)巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響

4.1 預(yù)制裂隙長(zhǎng)度對(duì)巖樣峰值應(yīng)力的影響

由圖14(a)可以看出，當(dāng)張開(kāi)度固定時(shí)，除了90°試樣，含裂隙巖體的單軸抗壓強(qiáng)度整體上隨著裂隙長(zhǎng)度的增大而減小。當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，隨裂隙長(zhǎng)度增大，巖體的強(qiáng)度基本保持不變，此時(shí)試樣強(qiáng)度與完整試樣強(qiáng)度接近，在小范圍波動(dòng)；通過(guò)縱向比較可知，當(dāng)裂隙傾角較小時(shí)，試樣峰值應(yīng)力變化不大，而當(dāng)裂隙傾角>30°時(shí)，峰值應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的增大，這可能與破壞模式有關(guān)。因?yàn)閹缀跛性嚇佣际怯杉羟衅茐幕蚶魪?fù)合破壞導(dǎo)致最終的破壞，但是在末期剪切帶形成前，小角度試樣中都會(huì)有明顯的翼裂紋產(chǎn)生，這一定程度上可以等效為給試樣增加了初始的缺陷，而當(dāng)裂隙傾角>30°時(shí)，隨著裂隙傾角的增大，翼裂紋不斷變短，甚至消失，從而導(dǎo)致了峰值應(yīng)力的增大。另外由圖14(a)可以看出，裂隙角度越小，試樣峰值應(yīng)力隨長(zhǎng)度增大而減小的量越大。當(dāng)角度固定時(shí)，如圖14(b)，隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，試樣峰值應(yīng)力仍然呈遞減趨勢(shì)。同時(shí)通過(guò)縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，不同的張開(kāi)度對(duì)試樣的峰值應(yīng)力的影響不大。

圖15 單裂隙巖體峰值應(yīng)力隨裂隙傾角的變化Fig.15 Curves of peak stress versus flaw inclination angle for single-flawed rock

4.2 預(yù)制裂隙傾角對(duì)巖樣峰值應(yīng)力的影響

由圖15(a)可以看出：當(dāng)張開(kāi)度固定不變時(shí)，隨著裂隙傾角的增大，試樣峰值應(yīng)力整體上呈增大趨勢(shì)且長(zhǎng)度越大，峰值應(yīng)力的變化量越大，也就是說(shuō)，裂隙的長(zhǎng)度越小，對(duì)試樣強(qiáng)度的影響越小。當(dāng)裂隙傾角較小時(shí)(<60°)，試樣峰值應(yīng)力變化較小。當(dāng)裂隙傾角較大時(shí)，試樣峰值應(yīng)力增長(zhǎng)迅速，特別是當(dāng)裂隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，這一點(diǎn)表現(xiàn)得越明顯。另外通過(guò)縱向?qū)Ρ?，再一次反映了隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，峰值應(yīng)力不斷減小的規(guī)律，以及當(dāng)裂隙傾角為90°時(shí)，峰值應(yīng)力幾乎與裂隙長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的事實(shí)。而當(dāng)裂隙長(zhǎng)度固定時(shí)(圖15(b))，與圖15(a)相比，峰值應(yīng)力隨傾角變化的整體趨勢(shì)沒(méi)有太大差別——隨著裂隙傾角的增大，試樣的峰值應(yīng)力呈增大趨勢(shì)。傾角較大時(shí)峰值應(yīng)力增長(zhǎng)速率較快，而當(dāng)傾角較小時(shí)，峰值應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，并且在15°～30°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的跌落現(xiàn)象。

圖16為L(zhǎng)ee等[1]對(duì)含單裂隙大理巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，觀察其中含單裂隙巖樣的峰值應(yīng)力曲線，也就是圓圈代表的數(shù)據(jù)點(diǎn)所擬合得到的實(shí)線。與圖15中結(jié)果相比，兩者有較好的一致性，即在傾角較小時(shí)應(yīng)力變化緩慢，在傾角較大時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)比較迅速。

圖16 Lee等[1]對(duì)含單裂隙花崗巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Result of uniaxial compression test on granite specimen containing single flaw by Heekwang Lee[1]

4.3 預(yù)制裂隙張開(kāi)度對(duì)巖樣峰值應(yīng)力的影響

由圖17可看出，隨著裂隙張開(kāi)度的變化，巖樣峰值應(yīng)力整體上基本保持不變，在小范圍內(nèi)呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)。明華軍等[6]在研究帶裂隙巖體的破壞模式時(shí)發(fā)現(xiàn)，巖體中的預(yù)制裂隙存在著極限相對(duì)裂隙張開(kāi)度，當(dāng)裂隙張開(kāi)度小于這個(gè)極限值時(shí)，巖石受力作用占主導(dǎo)地位，而裂隙的影響較小。對(duì)于圖17(b)，相對(duì)裂隙張開(kāi)度(裂隙張開(kāi)度/裂隙長(zhǎng)度)變化范圍為0.005～0.045。由于本次試驗(yàn)試樣數(shù)量有限，可能使其相對(duì)張開(kāi)度均小于相應(yīng)的極限值，因此出現(xiàn)試樣峰值應(yīng)力隨張開(kāi)度變化而基本不變的現(xiàn)象。而在圖17(a)中，當(dāng)裂隙長(zhǎng)度為5 mm時(shí)，即使最大相對(duì)裂隙張開(kāi)度達(dá)到0.36(張開(kāi)度為1.8 mm)，相對(duì)來(lái)說(shuō)曲線依然變化不大，這是由于此時(shí)裂隙長(zhǎng)度本來(lái)就很小，導(dǎo)致裂隙其他因素對(duì)試樣的影響也會(huì)減小，這也正說(shuō)明了含裂隙巖體的強(qiáng)度是受裂隙各項(xiàng)幾何參數(shù)綜合影響的，而并非單一因素的作用。另外通過(guò)縱向?qū)Ρ?，再次?yàn)證了4.1節(jié)和4.2節(jié)所反映的規(guī)律——裂隙長(zhǎng)度越大，試樣的峰值應(yīng)力越??；裂隙傾角越大，試樣峰值應(yīng)力越大，且傾角越大，峰值應(yīng)力的增長(zhǎng)率越大。

圖17 單裂隙巖體峰值應(yīng)力隨裂隙張開(kāi)度的變化Fig.17 Curves of peak stress versus flaw thickness for single-flawed rock

5 結(jié) 論

本文采用FLAC3D建立含單裂隙的試樣模型，然后通過(guò)改變單裂隙的幾何參數(shù)，開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

(1)在含單裂隙試樣的單軸壓縮過(guò)程中，首先在尖端附近出現(xiàn)拉伸翼裂紋，且其萌生位置并不一定都在裂隙尖端，而是從距尖端一定距離處生成，隨著裂隙傾角增大，翼裂紋長(zhǎng)度逐漸變短，生成位置不斷向尖端靠近。

(2)翼裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度有限，并不會(huì)導(dǎo)致試樣破壞。隨著加載進(jìn)行，逐漸由尖端萌生出不同類型的剪切裂紋，并導(dǎo)致試樣的最終破壞。

(3)裂隙傾角越大，試樣的脆性越明顯。隨著裂隙長(zhǎng)度的增大，試樣峰值應(yīng)力不斷降低；隨著裂隙傾角的增大，試樣峰值應(yīng)力整體上不斷增大。但當(dāng)傾角較小時(shí)，峰值應(yīng)力增長(zhǎng)十分緩慢，當(dāng)傾角較大(>60°)時(shí)，峰值應(yīng)力迅速增大；隨著裂隙張開(kāi)度的增大，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，試樣峰值應(yīng)力基本保持不變。

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