黃 殷 婷，左 雙 英，鐘 帥，劉 博

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

巖體內(nèi)部存在的層理、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致了其具有明顯的各向異性[1]。同時(shí)試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明層狀巖體在荷載作用下的側(cè)向變形及破裂與張拉裂紋的累積和擴(kuò)展密切相關(guān)，常常表現(xiàn)為拉破壞，嚴(yán)重危及到邊坡、基坑、洞室頂板、高位危巖體處置等工程的安全[2-4]，因此，開展巖體在受拉狀態(tài)下各向異性力學(xué)特性及破裂特征研究具有重要意義。

巴西劈裂試驗(yàn)是測試巖石抗拉強(qiáng)度的間接拉伸方法之一，國內(nèi)外學(xué)者利用巴西劈裂試驗(yàn)開展了一系列巖體抗拉各向異性的研究。劉運(yùn)思等[5]結(jié)合單弱面理論，對板巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，建立了抗拉強(qiáng)度與層理傾角之間的關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)板巖抗拉強(qiáng)度隨層理傾角增大而減小。Dan等[6]對砂巖、片麻巖、板巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，研究層理傾角、加載方向角對抗拉強(qiáng)度和破壞模式的影響。Abbass等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著層理傾角的增大，板巖抗拉強(qiáng)度、裂縫長度和圓盤試樣破壞所需的能耗逐漸降低。武鵬飛[8]、許多等[9]對煤巖進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿垂直層理方向進(jìn)行加載裂紋更易傳播與擴(kuò)展。楊志鵬等[10]針對頁巖做了劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨層理傾角增加，頁巖試件破裂產(chǎn)狀由直線型向曲弧形過渡。鐘帥等[11-12]對7組不同角度層理灰?guī)r進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，根據(jù)巖石聲發(fā)射累計(jì)振鈴次數(shù)定義拉裂損傷變量，推導(dǎo)了抗拉強(qiáng)度、劈裂模量及損傷變量隨層理傾角的變化規(guī)律，并建立了橫觀各向同性本構(gòu)關(guān)系。

三維激光掃描技術(shù)能精確提取掃描對象三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，部分學(xué)者通過掃描巖體破裂面，對細(xì)觀破裂面形態(tài)及結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。黃達(dá)等[13]結(jié)合三維激光掃描與掃描電鏡技術(shù)，發(fā)現(xiàn)三軸高應(yīng)力條件下卸荷破裂的大理巖破裂面細(xì)微觀斷裂性質(zhì)與圍壓的卸荷速率和初始應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。陳珺等[14]對黑砂巖進(jìn)行直接拉伸與拉伸剪切試驗(yàn)，通三維掃描技術(shù)，總結(jié)了拉應(yīng)力下巖石破裂面粗糙度隨應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，探討了不同破裂機(jī)制對破裂面形貌的影響。而粗糙度作為評估結(jié)構(gòu)面起伏程度的參數(shù)之一，常用來定量評價(jià)拉裂與剪切破壞狀態(tài)。彭守建等[15]發(fā)現(xiàn)采用粗糙度JRC評價(jià)結(jié)構(gòu)面各向異性時(shí)，劈裂斷裂結(jié)構(gòu)面與剪切斷裂結(jié)構(gòu)面各向異性差異較大。陳世江等[16]則通過比較已有結(jié)構(gòu)面粗糙度的定量表征方法，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)是結(jié)構(gòu)面粗糙度定量描述的有效方法。

以上研究成果主要展現(xiàn)了層狀巖體抗拉力學(xué)特性及破壞裂縫走向與層理傾角有強(qiáng)烈相關(guān)性，也針對單一結(jié)構(gòu)面不同區(qū)域粗糙度量化參數(shù)進(jìn)行了評價(jià)與比較，但對于在巴西劈裂試驗(yàn)條件下受層理結(jié)構(gòu)影響的破裂面各向異性特征及定量化研究較少涉及。因此，本文基于不同層理傾角灰?guī)r的巴西劈裂試驗(yàn)，研究層理傾角對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響以及灰?guī)r力學(xué)參數(shù)的各向異性特征，觀測灰?guī)r宏-細(xì)觀破壞形態(tài)與裂縫擴(kuò)展過程，利用三維激光掃描技術(shù)與結(jié)構(gòu)面粗糙度量化參數(shù)，對不同層理傾角灰?guī)r破裂面內(nèi)部發(fā)展過程與力學(xué)演化機(jī)制進(jìn)行綜合探討，為進(jìn)一步完善層狀巖體張拉破壞內(nèi)部演化機(jī)制研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣材料

試驗(yàn)巖樣為三疊系大冶組中風(fēng)化中厚層狀灰?guī)r。將層理面與水平面夾角θ定義為層理角傾角，鉆取直徑50 mm、厚度25 mm的試樣塊并進(jìn)行端面研磨，保證上下兩端平行度在±0.05 mm以內(nèi)，表面平整度控制在±0.03 mm以內(nèi)，所有試樣均在室溫干燥環(huán)境中保存。每個(gè)角度3個(gè)試樣，共21個(gè)試樣，部分樣品如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)采用WAW-1000kN型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行加載。DH3818靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀記錄加載過程中巖體的累積應(yīng)變值。試樣表面前后對稱，布置兩條長20 mm、寬3 mm的應(yīng)變片(見圖2)，設(shè)定壓力機(jī)加載速率為0.05 kN/s。

圖2 試驗(yàn)儀器及加載方式示意Fig.2 Schematic diagram of test instrument and loading mode

為了定量分析不同層理傾角巴西劈裂試驗(yàn)過程中破裂面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律，本文采用福建銳品科技有限公司出品的高精度三維激光掃描儀對巖樣的主破裂面進(jìn)行掃描測試。掃描儀由兩個(gè)ONSEMI工業(yè)測量傳感器(363萬像素，1280×800)、結(jié)構(gòu)光柵發(fā)生器以及支架組成，如圖3所示。掃描儀單幀精度可達(dá)±0.04 mm，掃描速度≤0.3 s，利用該掃描儀可對巖樣破裂面進(jìn)行多視角測量并進(jìn)行全自動(dòng)拼接，可輕松獲取高精度表面三維數(shù)據(jù)與紋理信息，真實(shí)展示破裂面形貌特征，為進(jìn)一步參數(shù)計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 三維掃描儀器設(shè)備Fig.3 3D laser scanner

2 不同傾角層理灰?guī)r抗拉力學(xué)參數(shù)各向異性分析

2.1 拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)過程中，可以采集到圓盤試件的豎向荷載，計(jì)算出巖石的水平拉應(yīng)力[17]：

(1)

式中：P為任意時(shí)刻的豎向荷載，kN；D為圓盤直徑，mm；t為圓盤厚度，mm。當(dāng)P達(dá)到最大值時(shí)，σmax即為抗拉強(qiáng)度。

繪制水平拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示?？梢杂^察到各個(gè)層理傾角巖樣對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較大，但總體仍表現(xiàn)出孔隙壓密、彈性變形和破壞3個(gè)階段。加載初期，由于灰?guī)r內(nèi)部存在孔隙或微裂縫，試樣表面與加載板接觸后先產(chǎn)生了局部壓密變形，隨后很快進(jìn)入彈性變形階段，隨著荷載增大，變形曲線近似呈直線上升趨勢。應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加到達(dá)峰值后，試樣發(fā)生破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線陡降，應(yīng)力值近乎垂直于橫向坐標(biāo)軸發(fā)生跌落，而灰?guī)r試樣脆性較強(qiáng)導(dǎo)致破壞在瞬間產(chǎn)生，部分試樣飛濺，所以無明顯的峰后曲線。

圖4 灰?guī)r試樣典型拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Typical tensile stress-strain curves of limestone samples

對于含層理灰?guī)r，采用宮鳳強(qiáng)等[18]推導(dǎo)的公式計(jì)算拉伸模量：

(2)

式中：Pt為破壞荷載，kN；Δut為最終拉伸長度，mm。

2.2 抗拉力學(xué)參數(shù)各向異性分析

對不同層理傾角灰?guī)r的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到每組試樣抗拉強(qiáng)度與拉伸模量平均值，并依據(jù)結(jié)果計(jì)算出每組試樣泊松比，繪制巖樣力學(xué)參數(shù)與各層理傾角之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5(a)對比分析可知，隨著層理傾角的增大，巖石試樣抗拉強(qiáng)度與拉伸模量整體呈現(xiàn)下降趨勢，其中拉伸模量在30°～60°范圍內(nèi)隨層理傾角的增加曲線斜率由小變大，而抗拉強(qiáng)度的曲線斜率則反之。如圖5(b)所示，泊松比整體則隨層理傾角的增大呈上升趨勢，在90°時(shí)最大，為0.259；峰值應(yīng)變則在層理傾角為15°時(shí)達(dá)到峰值，為0.278，之后隨傾角的繼續(xù)增大呈減小的趨勢，在90°時(shí)最小，為0.178。

圖5 典型灰?guī)r試樣力學(xué)參數(shù)隨層理傾角變化曲線Fig.5 Curves of mechanical parameters varying with bedding dip angle

為了表征層理傾角對各力學(xué)參數(shù)各向異性影響的程度，引入各向異性度參數(shù)α(θ)，表示不同層理傾角灰?guī)r力學(xué)參數(shù)與水平層理(θ=0)力學(xué)參數(shù)對比的降低幅度，即：

(3)

式中：ζ(θ)為不同層理傾角的力學(xué)參數(shù)，如抗拉強(qiáng)度、拉伸模量等；ζ(0)為層理傾角為0時(shí)的力學(xué)參數(shù)。

α(θ)越大，表明巖樣力學(xué)參數(shù)受層理傾角影響越大，各向異性特征、層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)越明顯。按照式(3)計(jì)算，不同層理傾角灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)各向異性度變化曲線如圖6所示。

圖6 力學(xué)參數(shù)各向異性度曲線Fig.6 Curves of anisotropic mechanical parameters

從圖6中可以觀察到：隨著層理傾角的增加，抗拉強(qiáng)度和拉伸模量各向異性度曲線逐漸上升，在90°達(dá)到最大，相對于0°，增量分別約為55%，42%；泊松比各向異性度曲線隨著層理傾角增大呈負(fù)增長趨勢，也在90°時(shí)達(dá)到最大，相對于0°，增量約為25%；而峰值應(yīng)變各向異性度(絕對值)在層理傾角為15°時(shí)達(dá)到最大50%，隨后逐漸減小。這表明層理傾角對各個(gè)力學(xué)指標(biāo)均有影響，其中對抗拉強(qiáng)度和拉伸模量影響最大。

3 宏-細(xì)觀破壞形式及機(jī)制分析

3.1 宏觀破壞形態(tài)各向異性

將不同層理傾角的典型試樣加載過程中形成的宏觀裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與素描，如圖7所示。從裂隙整體形態(tài)來看，破裂形態(tài)以張拉為主，部分出現(xiàn)沿層理剪切，主裂縫擴(kuò)展方向與試件所受最大主應(yīng)力方向一致。當(dāng)層理傾角為0時(shí)，應(yīng)力垂直于層理方向，抑制了試樣沿層理方向滑移破壞的發(fā)生，主裂縫受到拉應(yīng)力作用穿過圓盤中心向兩端延伸，最終貫通形成垂直于層理方向的“直線”狀裂縫，為劈裂破壞，并且由于加載兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以加載點(diǎn)附近的巖樣出現(xiàn)次生裂縫，部分巖體碎屑掉落。此時(shí)測得的抗拉強(qiáng)度可以認(rèn)為是灰?guī)r基質(zhì)體的抗拉強(qiáng)度，因此θ=0°時(shí)的抗拉強(qiáng)度值為最大值。當(dāng)層理傾角θ=15°～30°時(shí)，裂縫呈“月牙形”，即巖石樣品中間的裂縫向側(cè)面凸出。這是因?yàn)殡S著層理傾角逐漸增大，雖然主裂縫仍沿加載點(diǎn)起裂，以張拉破壞為主，但因受到薄弱層理面與礦物成分的影響，局部有剪切破壞產(chǎn)生，這也導(dǎo)致裂縫偏離圓盤中心擴(kuò)展，且有沿層理方向發(fā)展的趨勢。當(dāng)層理傾角θ=45°～60°時(shí)，主裂縫沿弱面層理方向剪切型直線擴(kuò)展，在圓盤中心位置有局部次生張拉破壞。當(dāng)層理傾角θ=60°～75°時(shí)，裂縫擴(kuò)展方向愈加接近于層理弱面，這會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低。當(dāng)θ=90°時(shí)，雖然加載方向與層理面方向一致，但是加載點(diǎn)處無臨空剪出口，試樣沿層理弱面發(fā)生張拉破壞，此時(shí)所測抗拉強(qiáng)度本質(zhì)是層理弱面的抗拉強(qiáng)度，故此時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小。

圖7 巖石破壞裂紋擴(kuò)展圖Fig.7 Crack propagation diagram of rock failure

3.2 破裂面細(xì)觀特征各向異性

將0，15°，30°，45°，60°，75°，90°等7種傾角的灰?guī)r進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)后，取其正、反典型破裂面進(jìn)行高精度三維掃描，獲得7組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并用Geomagic系列軟件對掃描面進(jìn)行平滑、降噪與封裝，提取坐標(biāo)并導(dǎo)入Surfer 12中進(jìn)行處理，生成的不同層理傾角灰?guī)r正、反破裂面三維數(shù)字圖像如圖8所示。

圖8 不同傾角典型巖樣破裂示意Fig.8 Schematic diagram of crack plane with different dip angle

當(dāng)層理傾角θ=0°時(shí)，因加載點(diǎn)處出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中而導(dǎo)致試樣發(fā)生局部到整體的張拉破壞，破裂面受力邊緣處比中間略顯粗糙。θ=15°～30°時(shí)，巖樣發(fā)生部分剪切破壞，破裂面較θ=0°時(shí)平滑，正反兩塊巖樣破裂面凹凸起伏基本吻合，沿中心線部分巖體高于兩側(cè)巖體，這是由于巖樣受力范圍較小，先沿加載中心線方向發(fā)生張拉破壞，隨后再向兩側(cè)沿薄弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切擴(kuò)展，巖樣剖面呈“月牙形”。層理傾角θ=45°時(shí)，破裂面粗糙，并且正反破裂面吻合度較低，起伏程度及凹凸位置均不相同。如反向破裂面右掃描圖所示，破裂面下緣呈臺(tái)階狀，中部破裂面較為破碎，試驗(yàn)后可觀察到較多巖石碎塊從巖樣上掉落。分析原因是由于此時(shí)發(fā)生的破壞不僅是層理面與灰?guī)r基質(zhì)體的拉伸-剪切破壞，還存在裂縫在發(fā)展過程中因局部應(yīng)力產(chǎn)生的二次張拉破壞，多種破壞同時(shí)作用導(dǎo)致巖樣呈破碎狀。當(dāng)層理傾角θ=60°～75°時(shí)，受到剪切-拉伸作用的影響，巖樣剖面呈“弧形”，且如正反破裂面掃描圖所示，因?yàn)閷永砻孀鳛閹r體的薄弱結(jié)構(gòu)面，黏聚力較低，所以當(dāng)破壞平行于層理面產(chǎn)生時(shí)，破裂面較為光滑。層理傾角θ=90°時(shí)，加載方向與層理面方向平行，裂縫沿最薄弱層理面產(chǎn)生張拉破壞，受層理面內(nèi)充填礦物成分影響，破裂面又變粗糙。

3.3 破裂面結(jié)構(gòu)量化參數(shù)各向異性

3.3.1節(jié)理線粗糙度系數(shù)

Barton[19]在1973年首次提出節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC的概念后，相關(guān)學(xué)者通過大量試驗(yàn)與研究給出了10條典型節(jié)理輪廓線，根據(jù)結(jié)構(gòu)面粗糙程度將JRC值定義在10～20數(shù)值范圍內(nèi)，此方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。但由于此方法是基于人工觀察對粗糙度進(jìn)行的大致估計(jì)，受主觀性影響較大，故采用Gentier等[20]提出的裂隙面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過建立投影面積與實(shí)際面積的聯(lián)系，對不同層理傾角灰?guī)r破裂面線粗糙度進(jìn)行計(jì)算。本次試驗(yàn)定義破裂面切口面積為截面面積，又因試驗(yàn)采用了統(tǒng)一直徑為50 mm、厚度為25 mm的試樣，故定義標(biāo)準(zhǔn)截面面積1 250 mm2。通過三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對不同層理傾角下巖樣斷裂面面積進(jìn)行數(shù)值化處理后獲得不同層理傾角破裂面實(shí)際表面積，以式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：RL為裂隙的線粗糙度，無量綱，與破裂面粗糙程度呈正相關(guān)；RA為粗糙裂隙面實(shí)際面積與裂隙面投影面積之比。

3.3.2粗糙度分形維數(shù)

自Mandelbrot將分形幾何運(yùn)用于巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)研究以來[21]，分形理論逐漸成為處理復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，而盒維數(shù)法在粗糙度分形理論中有著廣泛的應(yīng)用[22]。使用邊長為ε的立方體盒子依次覆蓋試樣破裂面表面，N(ε)為覆蓋試樣破裂面所需要的邊長為ε的立方體個(gè)數(shù)，得到：

N=ε-D

(5)

式(5)等號兩邊取對數(shù)，可得：

lgN=-Dlgε

(6)

取不同尺寸的ε，其對應(yīng)的N(ε)是恒定的，將兩者用最小二乘法擬合成直線，直線斜率的相反數(shù)即為該破裂面粗糙度盒維數(shù)，即：

(7)

式中：ε為立方體的邊長；N(ε)為破裂面被覆蓋所需的邊長為ε的立方體個(gè)數(shù)；DB為破裂面粗糙度盒維數(shù)。

試樣破裂面越粗糙，起伏程度越大，覆蓋破裂面需要的盒子數(shù)就越多，所得粗糙度盒維數(shù)就越大。在巴西劈裂試驗(yàn)條件下，選取不同層理傾角灰?guī)r破裂面進(jìn)行三維激光掃描，通過MATLAB編寫盒維數(shù)算法對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使破裂面三維成像并置于一平面上，將平面用網(wǎng)格進(jìn)行劃分，然后用不同邊長εi的立方體盒子去覆蓋三維破裂面，程序中將盒子尺寸設(shè)置為2n(mm)依次進(jìn)行覆蓋，覆蓋過程如圖9所示

圖9 盒維數(shù)計(jì)算示意Fig.9 Schematic diagram of box dimension calculation

計(jì)算不同層理傾角灰?guī)r線粗糙度與盒維數(shù)值結(jié)果如表1所列，繪制結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)各向異性曲線如圖10所示，兩者隨著層理傾角的增大變化趨勢基本一致。

表1 不同層理傾角灰?guī)r結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)

圖10 結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)各向異性系數(shù)對比曲線Fig.10 Comparison curve of anisotropy coefficient of quantitative parameters of discontinuity

層理傾角θ=0°時(shí)的結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)均大于層理傾角θ=90°時(shí)的對應(yīng)參數(shù)，即層理傾角θ=90°的破裂面較層理傾角θ=0°時(shí)的破裂面光滑。這是因?yàn)楫?dāng)層理傾角θ=0°時(shí)，試樣裂縫貫通灰?guī)r基質(zhì)體，拉應(yīng)力由灰?guī)r基質(zhì)體承擔(dān)，而θ=90°時(shí)試樣是沿層理弱面發(fā)生張拉破壞，因?qū)永砣趺鎻?qiáng)度較小發(fā)生張拉破壞時(shí)裂縫擴(kuò)展所受阻力更小，破裂面更光滑。就盒維數(shù)隨層理傾角變化曲線而言，DB(θ=0°)略大于DB(θ=15°)，這是因?yàn)棣?15°時(shí)的巖樣破壞模式開始受到層理傾角的影響，開始有局部的剪切破壞產(chǎn)生，破裂面的部分凸起體被剪切磨平，粗糙度開始降低。當(dāng)層理傾角θ=30°～45°時(shí)，由加載點(diǎn)施加的軸向應(yīng)力分解為沿層理面的剪應(yīng)力與沿加載中心線的法向應(yīng)力，雖然此時(shí)仍以拉伸破壞為主導(dǎo)并伴隨局部的剪切破壞，但隨著破壞的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)力分配不斷變化，破裂面變化情況復(fù)雜，破裂面如洼地等起伏形態(tài)增多，所需要覆蓋破裂面的盒子數(shù)變多，DB變大。當(dāng)層理傾角θ=60°～75°時(shí)，隨著層理面逐漸傾向于加載中心線，沿層理面剪應(yīng)力逐漸增大，裂縫路徑逐漸沿層理方向擴(kuò)展，大量破裂面凸起體逐漸從被剪短磨損進(jìn)入剪切滑移階段，破裂面光滑部分增多，盒維數(shù)減少。當(dāng)層理傾角θ=90°時(shí)發(fā)生層理面張拉破壞，此時(shí)破裂面的粗糙程度又有所增大，因此曲線又反向增大，這是由層理弱面礦物成分等因素決定的。

整體而言，盒維數(shù)DB的變化趨勢與宏-細(xì)觀破裂特征較符合，隨著層理傾角的增大，盒維數(shù)在θ=30°～45°達(dá)到峰值后逐漸減小，這說明拉-剪復(fù)合作用下破裂面破壞狀況較復(fù)雜，隨著裂縫路徑逐漸偏向?qū)永韮A角，剪切破壞起主導(dǎo)作用，破裂面逐漸變得平滑。線粗糙度RL整體走勢雖與盒維數(shù)DB相近，隨層理傾角的變化呈先增大后減小的趨勢，但相較于盒維數(shù)DB在θ=45°達(dá)到峰值，線粗糙度RL則于θ=75°時(shí)達(dá)到峰值，并且在層理傾角θ=0°～45°時(shí)，RL逐步增大，并未如盒維數(shù)DB一般在θ=15°出現(xiàn)小幅減小的情況。筆者認(rèn)為這是由于θ=15°～30°，θ=45°～70°時(shí)，巖樣剖面呈“弧形”或“月牙形”，由線粗糙度定義可知，破裂面曲度會(huì)對線粗糙度值產(chǎn)生一定影響，因此發(fā)現(xiàn)相較于線粗糙度，盒維數(shù)能更好地量化反映灰?guī)r破裂面粗糙程度隨層理傾角的變化規(guī)律，可為研究破裂面之間的差異特征提供有效手段。

4 結(jié) 論

針對不同層理傾角灰?guī)r開展了巴西劈裂試驗(yàn)研究，對層理灰?guī)r力學(xué)參數(shù)各向異性特征進(jìn)行了比較分析，利用三維掃描技術(shù)對宏觀破裂形態(tài)與細(xì)觀破裂特征進(jìn)行了總結(jié)與量化統(tǒng)計(jì)，得到以下主要結(jié)論：

(1) 層理灰?guī)r抗拉力學(xué)特性具有明顯的各向異性，通過各向異性度比較發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度與拉伸模量受層理傾角影響較強(qiáng)烈，兩者隨層理傾角的增大呈減小的趨勢。當(dāng)θ=0時(shí)，抗拉強(qiáng)度與拉伸模量最大，分別為8.12 MPa和4.33 GPa，這是灰?guī)r基質(zhì)體的力學(xué)參數(shù)。當(dāng)θ=90°時(shí)，抗拉強(qiáng)度與拉伸模量最小，分別為3.99 MPa和2.50 GPa，這是灰?guī)r層理弱面的力學(xué)參數(shù)。

(2) 灰?guī)r的宏觀破壞裂縫可分為3種典型形態(tài)：直線型、月牙形、弧形。當(dāng)層理傾角θ=0，90°時(shí)宏觀裂縫均呈“直線型”的張拉破壞；當(dāng)層理傾角15°≤θ≤30°時(shí)，宏觀裂縫呈“月牙形”，巖樣中間的裂縫向一側(cè)突出，此時(shí)有局部剪切破壞產(chǎn)生；當(dāng)層理傾角45°≤θ≤75°時(shí)，宏觀裂縫呈“弧形”，屬于拉-剪復(fù)合破壞形態(tài)，次生裂縫發(fā)育豐富。

(3) 通過三維激光掃描技術(shù)對破裂面進(jìn)行數(shù)字化處理，采用RL，DB兩種結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)評價(jià)破裂面粗糙程度，發(fā)現(xiàn)層狀巖體破裂面粗糙程度也具有明顯的各向異性：在θ=0°～90°區(qū)間內(nèi)，粗糙程度整體呈先增大后減小的趨勢，破裂面張拉作用越強(qiáng)，起伏粗糙度越大，剪切作用越強(qiáng)，起伏粗糙度越低。而通過比較結(jié)構(gòu)面量化參數(shù)RL，DB發(fā)現(xiàn)，盒維數(shù)DB各向異性特征較明顯，能較好反映不同層理傾角破裂面之間的差異特征，線粗糙度則受試樣剖面曲度因素影響較大。