不同加载条件下含预制单裂隙岩石强度和变形特性研究

鲜于文攀 吕小波 赵其华 韩刚

摘 要：为揭示不同加载条件下含预制单裂隙岩石强度和变形特性，配制相似材料，分别预制裂隙倾角α为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，设置侧压为0，5，10 MPa，在常规压缩、循环加卸载条件下开展试验。试验结果表明：循环加卸载对岩样有弱化作用，其峰值强度小于同条件下常规加载的岩样。试验中一共观察到9种贯通模式。常规加载时，当α≥45°时，贯通模式以张性贯通为主；当α<15°时，贯通模式以剪性贯通为主；当α为15°、30°时，贯通模式以张剪性贯通为主。循环加卸载时，更容易发生剪性贯通。岩样变形过程中，由PIV粒子成像测速系统导出的流场可知，产生裂纹的区域位移方向线都发生显著变化，但并非所有位移发生变化的区域都会形成裂纹，只有当位移矢量差达到一定值时裂纹才会产生。

关键词：裂隙岩石；变形特性；峰值强度；双轴加载试验；循环加卸载试验

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）12-0124-06

Abstract： It reveals the strength and deformation characteristics of rock with single pre-existing fissures under different loading conditions（conventional compression and cyclic loading test） by means of preparing similar materials. The inclination angle of pre-existing fissure α is 0°， 15°， 30°， 45°， 60°， 75°， 90° and the lateral pressure is 0， 5， 10 MPa respectively . The cyclic loading and unloading have a weakening effect on the rock sample， and its peak strength is less than that of conventional loading under the same conditions. Totally 9 coalescence modes are observed in the test. Under normal loading test， the coalescence mode is main tensile coalescence （α is greater than or equal to 45°）， shear coalescence（α is lower than 15°） and tensile-shear coalescence（α is 15° or 30°）. Tensile coalescence is more possible to happen in cyclic loading and unloading test. In the process of rock deformation， the displacement direction lines have significant changes in the region with fissures according to flow field exported by PIV particle imaging velocimetry system. But not all the regions with displacement changed will form fissures but when the displacement vector difference reaches a certain value.

Keywords： crack rock； deformation characteristics； peak strength； biaxial compression test； cyclic loading and unloading test

0 引 言

巖体是自然界最重要的构成要素之一，由众多规模不一、产状不同的结构面纵横切割而成，是具有一定结构的地质体，它包括了从微观到细观直至宏观的各种尺寸缺陷[1]。由于长期的构造地质作用，岩体的连续性和完整性遭到破坏，岩体内部缺陷的不断扩展和贯通行为将对岩体力学性能产生显著影响，导致岩体最终失稳破坏。很多学者对节理岩体的力学性质、变形特性和破坏模式等进行了大量研究，一般采用含预制裂隙的相似材料来模拟含节理的天然岩体。如文献[2-5]通过采用水泥砂浆作为相似材料来模拟天然岩体。陈新等[6]、白世伟等[7]采用石膏混合料模拟断续节理岩体。相似材料能较好地反映原岩的物理力学性能，且易于制作各种固定形式的节理，而被广泛应用于模型试验。

裂隙岩石峰值强度受多种因素影响。孙朝阳[8]通过相似材料模型试验，分析了不同裂隙角度对岩体强度的影响，得出试件的峰值强度随裂隙角度的增大表现出先减小后增大的规律。杨圣奇等[9-10]对含有三维裂纹的大理岩进行常规三轴压缩试验，研究了围压对断续裂隙大理岩强度的影响。林卓英[11]、胡盛斌等[3]着重研究了岩石在循环荷载作用下的强度特征，得出岩石在循环荷载作用下的强度低于其静力强度。

对于裂隙岩石变形特性研究。李银平等[12]对含预制裂纹大理岩块试件进行压剪试验，观察到预制裂纹尖端萌生有张拉型的翼型裂纹、压剪型的次生裂纹和翼裂反向裂纹，得出原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响。陈蕴生等[13]利用CT识别技术对节理试样加载过程进行全程扫描，获得裂纹被挤密、翼裂纹扩展和最终贯通破坏的演化过程。

国内外众多学者研究了单轴压缩、三轴压缩条件下裂隙岩石的强度和变形特性。由于试验设备的限制，较少学者对双轴压缩、双轴循环加卸载条件下裂隙岩石的强度和变形特性进行研究。本文对一种类玄武岩性质的脆性岩石材料进行常规和循环双轴压缩试验，系统分析了裂隙倾角和加载条件对裂隙岩石强度和变形特性的影响。

1 试验设计

1.1 材料选择及试样设计

配制类玄武岩相似材料，材料配比沿用课题组已有成果[14]，其质量比为水泥∶石膏∶重晶石粉∶石英砂∶水∶早强剂∶防水剂=35%∶8%∶12%∶30%∶14%∶0.6%∶0.4%。相似材料的相关物理力学参数可查阅文献[14]。制作42个100 mm×100 mm×100 mm的含预制单裂隙岩样。采用抽条法预制裂隙，云母片充填裂隙，预制裂隙厚0.5 mm，模拟含闭合单裂隙岩石。裂隙岩石加载示意图如图1所示，α为裂隙倾角，θ为裂纹起裂角。裂隙倾角α分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。试样命名为N（X/C）-X-Y，其中N代表加载方式（X代表循环加卸载，C代表常规加载），X为裂隙倾角，Y为侧压值。如C-15-5代表裂隙倾角为15°，侧压为5 MPa，采用常规加载的岩样。模型材料可认为近似类玄武岩相似材料，去玄岩和模型材料物理力学参数如表1所示。

1.2 试验设备

加载设备采用成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室的YDS-3型岩石力学多功能试验机（计算机自动控制加载），采用PIV粒子成像测速系统记录岩样表面变形全过程，PIV粒子成像测速系统与加载系统同时开启，以5帧/s的频率采集照片，轴向应力与采集照片具有一一对应性。YDS-3型岩石力学多功能试验机的技术指标能较好地满足试验的需求，如表2所示。

1.3 试验方案

进行常规加载试验和循环加卸载试验，侧压设置过小或增加幅值过小，峰值强度增加并不明显，离散性较大，经过课题组前期的不断调試和试验，最终将侧压值设置为0，5，10 MPa，控制方式采用应力控制，加载速度0.5 MPa/s。常规加载时，侧向和轴向同时加载，侧向应力达到设计值后，停止加载并保持稳定，轴向持续加载直到岩样破坏。循环加卸载试验时，侧向应力达到设计值后保持稳定；由于起始循环值的大小对峰值强度的影响较小，且为了保持一定的循环次数，设为完整岩样峰值应力的25%即15 MPa，轴向采用等增幅加载，每级荷载增加10 MPa，轴向起始卸载值为25 MPa，卸载到15 MPa。如，当侧压值为10 MPa时，应力路径为：侧向0-10 MPa；轴向：0-25 MPa-15 MPa-35 MPa-15 MPa-45 MPa-15 MPa-55 MPa-15 MPa-破坏。

2 强度特性

2.1 应力-应变曲线

常规压缩条件下，岩样应力-应变曲线如图2所示，由于篇幅有限，循环加卸载条件下岩样的应力-应变曲线仅呈现一个岩样（X-90-10）。岩样应力-应变曲线表现出以下特点：

1）所有岩样的应力-应变曲线经过短暂的压密阶段（上凹）后，均长期处于弹性变形阶段（线性）。轴向应力达到岩样峰值应力后，岩样迅速失稳破坏，表现出较强的脆性。

2）循环加卸载时，卸载曲线与加载曲线形成明显的滞回环，应力-应变曲线的外包络线与常规加载条件下的应力-应变曲线类似。

3）侧压越大，压密阶段与弹性变形阶段的分界点越明显。

2.2 各因素对峰值应力的影响

不同应力条件下，岩样峰值强度统计情况如图3所示。从图中可得：1）无论是常规加载还是循环加卸载，侧压一定时，裂隙倾角与峰值强度均呈现出V形关系，当裂隙倾角为45°时，岩样峰值强度最小；2）加载方式和裂隙倾角相同的岩样，侧压越大，峰值强度越大，峰值强度增大的幅值随侧压的增大而减小；3）裂隙倾角和侧压相同的岩样，循环加卸载时岩样的峰值强度小于常规加载时岩样的峰值强度。

3 变形特性

3.1 岩样裂纹贯通模式

本次试验中，多数试样破坏时均出现了不同程度的裂纹贯通。一共观察到9种贯通模式（见表3），与已有研究成果类似，裂纹贯通模式大致可划分为张性贯通（T）、剪性贯通（S）、张剪复合贯通（T+S）3类。为了能更好地观察预制裂隙端部萌生的初始裂纹，某些试样预制裂隙端部涂抹了一层薄的白色乳胶漆。

3.2 各因素对贯通模式的影响

表4列出了所有试样裂纹贯通模式（岩样表面裂纹未贯通的岩样未做统计）。从试验结果分析可得：1）常规加载时，当预制裂隙倾角≥45°时，贯通模式以张性贯通为主；当预制裂隙倾角<15°时，贯通模式以剪性贯通为主；当预制裂隙倾角为15°、30°时，贯通模式以张剪性贯通为主。循环加卸载时，剪性裂纹萌生的几率增加，各类倾角的岩样都萌生了不同程度的剪性裂纹（60°岩样除外）。2）双轴加载条件下，无论是常规加载还是循环加卸载，侧压增大，剪性裂纹的发育都逐渐占主导地位。

3.3 岩样的变形过程

根据位移场的分布规律，分析裂纹的发展过程及裂纹属性。裂纹分类依据文献[15]的研究成果，如图4所示。当位移趋势线产生反向的位移分量，或者位移同向，但后者位移值较前者小时由于相对拉伸，均会产生拉裂纹（图4（a））；当位移分量同向，但后者位移值较前者大时由于挤压作用会产生剪裂纹（图4（b））。

从所测结果看，PIV粒子成像测速系统测得的位移场规律性较好。通过将各个时刻岩样表面照片与其对应的位移场进行叠加分析其变形特性。图5为岩样C-45-0试验过程中裂纹起裂、扩展和贯通的位移场。图中箭头所指的方向为该点发生位移的方向，箭头长度和颜色都代表该点发生位移的大小。裂纹萌生阶段（图5（a）），预制裂隙下端萌生了一条光滑的拉裂纹，但这条宏观裂纹要通过放大图片才能清晰可见，文中仅呈现了裂纹起裂的示意图。裂纹扩展阶段（图5（b）），初始萌生的裂纹持续发展。在预制裂隙上端部发育一条翼裂纹1，在位移场中可见翼裂纹1两侧的位移出现不连续：其上部各点整体向左下方滑动，下部区域各点整体向右下方移动（与图5（a）类似）。在预制裂隙右端发育有一条明显的张裂纹2，该裂纹周围的位移方向线也发生了明显的变化：其左端各点整体向下移动，下端各点整体向右偏下方移动（与图4（b）类似）。裂纹贯通阶段（图5（c）），随着加载的继续增大，裂纹1和2持续发育，且主要沿着位移矢量差的分界面向边界扩展直至贯通，形成一个宏观贯通破坏面。此外，在预制裂隙上端部向下萌生了一条裂纹3并迅速扩展至岩样边界。从位移场可以看出，裂纹3是基于两侧存在较大的位移矢量差而萌生并发育而成。

图6为岩样C-90-0试验过程中裂纹起裂、扩展和贯通的位移场。裂纹萌生阶段（图6（a）），仅呈现出裂纹起裂示意图。在扩展阶段（图6（b）），可以看到预制裂隙上下端部发育有两条明显的张裂纹1和2，在预制裂隙两侧的位移明显不连续：裂隙左侧各点整体向左下方移动，右侧各点整体向右下方移动，且在裂隙的下端部位移矢量差最为明显，从而首先在裂隙下端部形成张拉型裂纹1。裂纹2的形成机理与1相似，在此不再赘述。随着加载增大，裂纹1和2持续发育，直至与边界贯通，试样破坏。

位移场反映了裂隙尖端起裂、裂纹扩展直至最后贯通破坏的发展全过程。从试样各阶段的位移场也可以看出并非所有位移方向线发生变化的分界面都会产生裂纹，只有当位移矢量差达到一定值时才会产生宏观裂纹，位移方向线的变化是产生裂纹的必要条件。

4 结束语

本文采用相似材料模型试验，研究了不同加载条件下含预制单裂隙岩石的强度和变形特性，主要结论如下：

1）各加载条件下，岩样峰值强度大小依次为：常规双轴加载试验>循环双轴加卸载试验>常规单轴加载试验>循环单轴加卸载试验。侧压增大，岩样峰值强度增大，但增加幅值减小，试样的压密阶段与弹性变形阶段的分界点越明显。裂隙倾角α为45°时，岩样峰值强度往往最小。

2）试验中一共观察到3大类、9小类贯通模式：2类张性贯通，2类剪性贯通，5类张剪性贯通。

3）常规加载时，当α≥45°时，裂纹贯通模式以张性贯通为主；当α<15°时，裂纹贯通模式以剪性贯通为主；当α为15°、30°时，贯通模式以张剪性贯通为主。循环加卸载时，剪性裂纹萌生的机率增加，各类倾角的岩样都萌生了不同程度的剪性裂纹（60°岩样除外）。

4）双轴加载条件下，无论是常规加载还是循环加卸载，侧压增大，剪性裂纹的发育都逐渐占主导地位。

5）岩样变形过程中，产生裂纹的区域位移方向线都发生显著变化，但并非所有位移发生变化的区域都会形成裂纹。只有当位移矢量差达到一定值时裂纹才会产生。

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（编辑：李妮）