于可鑫 和軍濤 吳賽賽 李 群

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地）

自然界中的巖體是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，因受到地應(yīng)力或人為擾動(dòng)等因素的影響使得巖體內(nèi)部隨機(jī)分布各種不連續(xù)的節(jié)理、裂隙［1］。巖石中裂隙的存在劣化了巖石的性能，許多巖土工程的失穩(wěn)和破壞都是由巖體內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展和貫通誘發(fā)而造成［2-3］。因此，開(kāi)展裂隙角度對(duì)巖石強(qiáng)度特性和破壞特征的影響具有重要意義。

目前，已有眾多學(xué)者對(duì)裂隙巖體的破壞問(wèn)題展開(kāi)了研究，鮮于文攀等［4］對(duì)預(yù)制單裂隙巖石進(jìn)行不同條件的加載實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石裂紋的貫通模式與預(yù)制裂隙傾角有關(guān)；BOBET 等［5］通過(guò)石膏模型預(yù)制等長(zhǎng)裂隙，在單軸壓縮下研究類脆性巖石非共面裂隙的起裂、擴(kuò)展與貫通破壞過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加載應(yīng)力條件對(duì)裂紋貫通模式有顯著影響。AFOLAGBOYE等［6］對(duì)等長(zhǎng)裂隙的類巖石模型進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)研究，指出預(yù)制裂隙長(zhǎng)度和角度會(huì)影響裂隙的起裂行為和擴(kuò)展過(guò)程。LI 等［7］對(duì)大理巖預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂縫幾何形狀決定著裂紋發(fā)展。YANG 等［8］采用巖石預(yù)制等長(zhǎng)裂隙試樣，系統(tǒng)研究了裂隙長(zhǎng)度、傾角、巖橋角度等對(duì)巖石巖峰值強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。YANG 等［9］通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)研究了圍壓對(duì)砂巖中預(yù)制等長(zhǎng)裂隙擴(kuò)展貫通的影響機(jī)理，指出裂隙布置形式對(duì)巖體變形、強(qiáng)度及裂隙擴(kuò)展形式有較大的影響。李建旺［10］研究單軸壓縮下預(yù)制雙裂隙巖石的破壞過(guò)程發(fā)現(xiàn)，巖石最先出現(xiàn)微裂隙的區(qū)域?yàn)轭A(yù)制裂隙的兩端。孫冰等［11］對(duì)不同裂隙形式類巖體單軸壓縮破壞特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)裂隙形式、裂隙傾角和巖橋長(zhǎng)度等參數(shù)變化對(duì)試樣強(qiáng)度和破壞形式有較大影響。李延春等［12］人對(duì)單軸壓縮荷載作用下裂隙的擴(kuò)展研究，并進(jìn)行CT掃描，發(fā)現(xiàn)下裂隙比上裂隙對(duì)試樣破壞的影響較大。牛心剛等［13］對(duì)不同傾角的預(yù)制裂隙巖石單軸壓縮聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂縫的傾角會(huì)對(duì)試樣的抗壓強(qiáng)度以及變形破壞特征產(chǎn)生影響。張輝［14］對(duì)含預(yù)制裂隙的花崗巖試件進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂隙對(duì)試件的強(qiáng)度具有明顯的削弱作用，并且強(qiáng)度隨著裂隙傾角的增大而增大。

但是大多數(shù)的研究都是基于單裂隙或者相等長(zhǎng)度的預(yù)制裂隙，對(duì)非等長(zhǎng)裂隙的研究較少，而在實(shí)際工程中巖體的裂隙是一個(gè)隨機(jī)性的、多種尺度的裂隙組合系統(tǒng)。因此，一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注加載作用下非等長(zhǎng)裂隙的巖石破壞問(wèn)題。陳慶豐［15］以不等長(zhǎng)多裂隙試件為研究對(duì)象，基于斷裂力學(xué)理論建立了受拉狀態(tài)下的I-II 復(fù)合型不等長(zhǎng)雙裂紋的主裂紋失穩(wěn)起裂時(shí)的強(qiáng)度表達(dá)式，獲得了巖橋長(zhǎng)度、次裂紋長(zhǎng)度以及裂紋角度與裂紋起裂強(qiáng)度之間關(guān)系。席婧儀等［16］對(duì)含2 條非等長(zhǎng)共線裂隙的類巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明裂隙傾角小于或等于45°時(shí)，主次裂隙均發(fā)育翼裂紋，但各自擴(kuò)展并不貫通；傾角大于45°時(shí)，2 條裂隙發(fā)育次生裂隙，次生裂隙貫通導(dǎo)致試樣破壞。王程程等［17］對(duì)不同長(zhǎng)度、不同角度的預(yù)制裂隙類巖石進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得出抗壓強(qiáng)度及破壞形式與主裂隙的長(zhǎng)度和裂隙傾角有關(guān)。因此，本文以非等長(zhǎng)非共線雙裂隙花崗巖為研究對(duì)象，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，探究了裂隙角度參數(shù)變化對(duì)巖體強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試樣制備

本次試驗(yàn)巖石試樣為花崗巖，試樣尺寸為高100 mm，寬50 mm，厚25 mm，對(duì)巖石各端面進(jìn)行打磨，不平行度控制在±0.1 mm 內(nèi)，滿足相關(guān)試驗(yàn)要求。設(shè)計(jì)預(yù)制裂隙為貫穿試樣厚度的裂隙，主裂隙長(zhǎng)度2a為20 mm，與水平方向呈45°布置；次裂隙長(zhǎng)度2b為12 mm，次裂隙與水平方向夾角α分別為60°，45°，30°，0°，150°，135°，120°；主次裂隙間距2c為12 mm。非等長(zhǎng)雙裂隙巖石試樣示意圖如圖1 所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備采用TAW-3000 伺服壓力試驗(yàn)系統(tǒng)，該加載系統(tǒng)為全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，最大荷載達(dá)3 000 kN，加載精度誤差在1%內(nèi)。加載采用軸向位移控制方式，單軸加載速率設(shè)定為0.002 mm/s，加載至試樣失去承載能力后停止加載。在試驗(yàn)過(guò)程匯總采用VIC-3D 全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其能通過(guò)追蹤物體表面的圖像，為實(shí)驗(yàn)提供三維空間內(nèi)全視野的形狀、位移及應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)（圖2）。在試驗(yàn)開(kāi)始前在試樣端部涂抹凡士林，防止端部效應(yīng)對(duì)結(jié)果造成影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同裂隙角度下試樣強(qiáng)度分析

對(duì)7組不同裂隙角度的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同角度條件下應(yīng)力-時(shí)間曲線，如圖3 所示。由圖3 可知，不同角度試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線均呈現(xiàn)了裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破裂后階段。巖石試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線變化趨勢(shì)是相似的，呈現(xiàn)明顯的塑性變形階段（α=60°時(shí)最為明顯），到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，應(yīng)力曲線快速跌落，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。但次裂隙角度為0°時(shí)，應(yīng)力曲線達(dá)到達(dá)峰值強(qiáng)度后，下降過(guò)程中局部出現(xiàn)階梯式跌落。

裂隙角度會(huì)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度造成影響，次裂隙角度為60°時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度最高，次裂隙角度為150°時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度最低。次裂隙角度在0°～60°時(shí)，隨著角度的增加，強(qiáng)度隨之增大，巖石試樣的峰值抗壓強(qiáng)度由66.02 MPa增長(zhǎng)到91.29 MPa，增長(zhǎng)幅度為38.3%。次裂隙角度在60°～150°時(shí)，峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。

2.2 不同裂隙角度試件破壞模式分析

含有預(yù)制裂隙的巖石在壓縮作用下，預(yù)制裂隙的尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力在裂紋面上形成的剪切力τ超過(guò)裂紋尖端摩擦力時(shí)，在預(yù)制裂隙結(jié)構(gòu)面處將產(chǎn)生相互滑動(dòng)，形成張開(kāi)型翼形裂紋［18］，當(dāng)拉力持續(xù)增大超過(guò)其極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生次翼裂紋。翼裂紋、次翼裂紋相互貫通從而形成貫穿裂紋。

圖4 列出了次裂隙角度在0°～150°變化時(shí)，巖石試樣在單軸壓縮條件下的最終破壞模式。由圖4 可知，裂隙角度對(duì)巖石破壞模式有較大影響，例如角度為60°時(shí)巖石的破壞為拉伸-剪切破壞形式，角度為120°時(shí)巖石的破壞形式主要為拉伸破壞。

α=60°的試樣在單軸壓縮下新生裂紋由主裂隙兩端開(kāi)始發(fā)育，主裂隙上端擴(kuò)展至次裂隙下端，形成細(xì)長(zhǎng)拉伸翼裂紋；在主裂隙上端部向下產(chǎn)生剪切裂紋后又迅速發(fā)育為拉伸破壞。隨著荷載增加，裂紋迅速由次裂隙貫通整個(gè)試樣，在破壞形式上，該試樣在次裂隙輔助下以拉伸破壞為主，主裂隙下端局部伴有剪切破壞，形成貫通次裂隙的“人”字形破壞。

對(duì)于次裂隙傾角為45°、30°試樣來(lái)說(shuō)，新生裂紋由主裂隙上端部開(kāi)始產(chǎn)生并向下發(fā)育，破壞模式主要為拉伸破壞形式。α=0°時(shí)，新生裂紋由主裂隙上端開(kāi)始發(fā)育，試樣頂?shù)變啥水a(chǎn)生拉伸裂紋并迅速擴(kuò)展貫通，試樣頂端中部裂紋拉伸至次裂隙，主裂隙上端側(cè)部巖石片落，失去抗壓能力。

α=150°時(shí)，新生裂隙從主裂隙兩端最先產(chǎn)生，然后試樣頂?shù)變啥水a(chǎn)生拉伸裂紋，貫通主裂隙，在整體上呈現(xiàn)拉剪復(fù)合破壞的模式，試樣整體貫通，最終的破壞形式有剪切破壞和拉伸破壞共同作用。α=135°時(shí)，新生裂紋從主裂隙靠下端的試樣底部開(kāi)始產(chǎn)生，并向上發(fā)育成拉伸翼裂紋，隨著壓力上升，主裂隙上端與次裂隙上端產(chǎn)生拉伸裂紋，試樣最終為拉伸和剪切共同作用的破壞形式。α=120°時(shí)，試樣在主裂隙兩端發(fā)育的裂隙迅速延伸，裂隙由試樣頂端產(chǎn)生后貫通主裂隙上端，產(chǎn)生裂紋，在整體上呈現(xiàn)拉伸破壞，試樣主裂隙下端部產(chǎn)生1條向上延伸的拉伸翼裂紋與一條底部向上延伸的剪切翼裂紋連通，最后連接次裂隙。

3 不同裂隙角度試件DIC分析

圖5 為不同裂隙角度試件在單軸壓縮條件下破壞階段應(yīng)場(chǎng)云圖，在試件破壞階段，不同試件的最大應(yīng)變值基本出現(xiàn)在預(yù)制裂隙附近以及翼裂紋、次翼裂紋拓展處。不同角度裂隙對(duì)試件應(yīng)變有著一定的影響。

α=60°時(shí)，應(yīng)變值最大點(diǎn)出現(xiàn)在主裂隙下端為3.85×10-2，在次裂隙兩端也產(chǎn)生了較小的應(yīng)變，為1.41×10-2，最終主裂隙下端翼裂紋拓展至試件邊緣使得試件失穩(wěn)破壞。α=45°時(shí)，在主裂隙兩端形成了較為明顯的次翼裂紋應(yīng)變局部化帶，最大應(yīng)變值為3.12×10-2，最終主裂隙上端產(chǎn)生的次翼裂紋貫通至試件底部，下端產(chǎn)生的次翼裂紋向上方拓展與次裂隙貫通。α=30°時(shí)，主裂隙上端與次裂隙下端產(chǎn)生較大的應(yīng)變值并形成應(yīng)變局部化帶，其最大值為4.09×10-2，最終主次裂隙相互貫通使得試件失穩(wěn)破壞。α=0°時(shí)，主裂隙下端與次裂隙右端產(chǎn)生較大的應(yīng)變，最大值為4.3×10-2，主裂隙上端產(chǎn)生一定的應(yīng)變拓展至試件的下端，最終主裂隙下端與次裂隙貫通，上端向下貫通至試件端部使得試件失穩(wěn)破壞。α=150°時(shí)，次裂隙兩端產(chǎn)生較大的應(yīng)變，均產(chǎn)生了沿翼裂紋拓展的局部應(yīng)變帶，最大值為4.09×10-2，主裂隙上端產(chǎn)生了沿翼裂紋拓展方向的局部應(yīng)變帶，最終試件主次裂隙相互貫通并拓展至試件端部使試件破壞。α=135°時(shí)，主裂隙下端產(chǎn)生沿翼裂紋拓展方向的局部應(yīng)變帶，次裂隙上端產(chǎn)生沿次翼裂紋方向拓展的局部應(yīng)變帶，最大值為4.09×10-2。最終主裂隙下端與試件端部貫通，次裂隙上端產(chǎn)生的反翼裂紋與主裂隙貫通使得試件失穩(wěn)破壞。α=120°時(shí)，主裂隙兩端產(chǎn)生沿翼裂紋拓展方向的局部應(yīng)變帶，最大值為3.85×10-2，最終，主裂隙上端翼裂紋拓展至試件端部，下端翼裂紋拓展至試件端部，反翼裂紋與次裂隙貫通使得試件失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

（1）裂隙角度對(duì)巖樣應(yīng)力曲線的影響主要體現(xiàn)在塑性變形階段和破壞后階段，尤其是α=60°時(shí)應(yīng)力曲線塑性變形階段明顯增加，破壞后應(yīng)力曲線呈現(xiàn)快速跌落和階梯式跌落，但巖石試樣破壞模式均表現(xiàn)為脆性破壞。

（2）裂隙角度對(duì)巖石的峰值強(qiáng)度有較大的影響。當(dāng)次裂隙角度小于60°，峰值強(qiáng)度隨次裂隙角度的增大而增大；當(dāng)次裂隙角度大于60°，峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。次裂隙傾向（角度大于90°）與主裂隙傾向相同時(shí)的峰值強(qiáng)度比次裂隙與主裂隙傾向不同時(shí)的峰值強(qiáng)度小。

（3）裂隙角度的變化影響巖石的破壞模式，不同角度裂隙試樣的破壞模式略有差異。隨著角度的增加，裂隙試樣破壞模式表現(xiàn)為拉伸破壞→拉伸剪切破壞→拉伸破壞。受預(yù)制主、次裂隙影響，破壞主要為拉應(yīng)力破壞形式。