含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征

张 波，杨学英，李术才，郭 帅，唐鹏越，李海燕，杨 磊，孙怀凤，王书刚

(1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061; 2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 3.山东城市建设职业学院 工程管理系，山东 济南 250014)

含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征

张 波1,2，杨学英3，李术才1,2，郭 帅1，唐鹏越2，李海燕2，杨 磊2，孙怀凤2，王书刚2

(1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061; 2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 3.山东城市建设职业学院 工程管理系，山东 济南 250014)

含裂隙岩石/类岩石试件在单轴压缩下的破坏特征已有较多研究，但对含X型裂隙试件单轴拉伸下的破坏特征尚无研究结论。对含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件进行了单轴拉伸试验，并与对应试件单轴压缩情况的已有实验结果进行了对比，研究了含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸下的岩桥贯通行为及强度特征。研究结果表明：含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉、压作用下的破坏模式及岩桥贯通模式表现不同，在单轴拉伸作用下含两组叠置X型裂隙类岩石试件岩桥处不会出现贯通现象;含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件的次裂隙位置影响试件单轴拉伸强度，在主裂隙位置固定情况下，次裂隙角度与最大拉应力方向垂直时试件强度最低，次裂隙角度与最大拉应力方向相同时试件强度最高。

类岩石材料;X型裂隙;单轴拉伸;破坏特征

目前的研究已表明，对于含裂隙岩体在拉、压荷载下的破坏行为，都是从裂隙尖端的启裂开始，随着荷载加大，裂隙扩展直至试件破坏[1]。

多裂隙岩体在单轴及多轴受压下的裂隙扩展及岩桥贯通行为有众多学者进行了深入研究。WONG[2]，朱维申[3]用类岩石材料，李银平[4]采用含预制裂纹大理岩试件，徐涛[5]，Zhiyu LI[6]用数值手段，研究了雁行裂隙在单轴压缩下的岩桥贯通行为，得到了岩桥贯通的4种模式：剪切模式、混合模式、张拉模式和无贯通模式。赵永红[7]对含两条雁行预制裂隙的大理岩平板试件进行了单轴压缩实验，WONG[8]用类岩石材料研究了含3条平行裂隙试件岩桥贯通规律，蒲成志等[9]进行了单轴压缩下含多裂隙类岩石材料的强度试验及数值分析，研究认为裂隙位置，倾角及裂隙之间的间距都会影响试件断裂破坏强度。

抗拉性能作为岩石材料的重要力学特征，众多学者通过巴西圆盘或直接拉伸试验对岩体抗拉性能进行了研究。李果[10]，王启智[11]，赵毅鑫[12]用巴西圆盘劈裂实验有效研究了完整及含单一裂隙脆性岩石的弹性模量、拉伸强度和断裂韧度KIc。杨圣奇[13]利用颗粒流(PFC)建立了巴西圆盘实验模型，分析了断续双裂隙的裂纹扩展情况，研究认为岩桥长度影响翼形裂纹的扩展程度。何满潮[14]采用钢丝垫条、直接加压、弧形模具的加载方式，对砂岩、泥岩进行了大量的巴西圆盘劈裂试验，研究表明采用不同的加载方式，测定的岩石抗拉强度差别很大，主要原因是因为加载板和试件间存在摩擦力等因素影响。张少华[15]，尤明庆[16]，刘建锋[17]分别采用直接拉伸和巴西劈裂法研究了岩石的拉伸力学特性，研究认为直接拉伸试验得到的结果更加真实反映岩石的抗拉强度特性。张绪涛[18]研制了岩石轴向直接拉伸试验装置并对完整试件及含单一裂隙试件进行了直接拉伸试验。李地元[19]，张泽天[20]对岩样进行了单轴拉伸试验，得到了岩石的拉伸力学性能。

从目前的研究文献可知，对于含裂隙岩体力学性能的研究，大部分都是以含单一裂隙或雁行裂隙试件进行研究，对于岩体工程中大量存在的X型裂隙，仅有部分研究人员对其在压缩下的力学性能进行了研究。刘东燕等[21]用实验研究了双向压缩下的含X型裂隙类岩体材料的岩桥贯通及强度特征，认为含X型裂隙岩体强度高于含单一裂隙岩体。笔者等[22]对含X型裂隙岩体的力学性能及破坏机理进行了详细研究，研究结果认为含X型裂隙岩体压缩强度高于含单一裂隙岩体是有条件的，主次裂隙夹角的改变影响含X型裂隙岩体单轴压缩强度，当次裂隙的位置对剪切破坏裂隙的扩展有抑制作用时，含交叉裂隙岩体压缩强度高于含单一裂隙岩体。

岩体等脆性材料在拉伸作用下产生破坏的突然性要远超过受压情况，更显研究岩体受拉性能的重要性。但是到目前为止，对于含X型裂隙的岩体，在受拉荷载作用下的破坏特征，还没有任何文献报道。本文用类岩石材料制作含X型裂隙试块，进行直接拉伸试验，研究含两组叠置X型裂隙类岩石材料在单轴拉伸荷载下的力学行为，得到拉伸情况下的岩桥贯通特征及强度特征，并与已有的单轴受压实验结果进行对比，对岩体工程理论和实践有一定帮助作用。

1 含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸试验

本研究用类岩石材料模拟含裂隙岩石，进行单轴拉伸试验。类岩石材料用水泥砂浆制作，水泥∶砂子∶水=1∶2∶0.5(质量比)，其中水泥为425号水泥，砂子粒径小于1.25 mm。水泥砂浆初凝后(3 h)在试块上插刀片(刀片厚度0.5 mm)，刀片在70 mm厚度方向穿透试块，形成穿透性裂隙，刀片在试块中保持30 min后拔出，形成预置裂隙。

试块示意图如图1所示，为进行对比，本文在研究含两组叠置X型裂隙试件(图1(b))单轴受拉的同时，也制作了含两条单一裂隙试件(图1(a))。本实验采用长方体试件，试件尺寸：长×宽×高=70 mm×70 mm×140 mm。图1中①，②，③及④分别表示4条预置裂隙，含两条单一裂隙试件仅含裂隙①和③。在X型裂隙中裂隙①和③被定义为主裂隙，长度为30 mm，裂隙②和④被定义为次裂隙，长度为20 mm。两组裂隙中心垂直间距为30 mm，裂隙中心位于样品纵向轴线上。α是主裂隙与水平方向的夹角，α在本研究中被固定在45°，β是主裂隙与次裂隙的夹角，在本研究中β以15°的增量从0°到165°变化，具体工况见表1。每个工况制作2个试块，试块制作后于模具中静置12 h后取出，在相对湿度大于50%，温度为(20±1) ℃的养护箱中养护28 d，取2个试件强度的算术平均值作为试件强度，当2个试件强度的平均值与任一试件强度之差超过平均值的5%时，该组试件作废。

图1 含两条平行裂隙及两组叠置X型裂隙试件示意Fig.1 Schematic diagram of specimens with two parallel flaws and two overlapped X-type flaws

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

注：无次裂隙的工况C1表示含两条平行单一裂隙试件;L13为图1中主裂隙①和③的长度;L24为图1中次裂隙②和④的长度。

加载设备采用伺服拉压试验机(设备型号为时代试金WDW-100E试验机)，如图2所示，该设备搭载自主研发的轴向对中装置[18]，可以解决单轴拉伸中的偏心问题。加载采用位移加载，加载速率0.1 mm/min。试件粘接剂采用高强结构胶，该结构胶可用于结构加固时混凝土基体与钢板材的粘接，常温下结构面抗拉强度超过25 MPa。

图2 加载设备Fig.2 Testing equipment

2 含两组叠置X型裂隙试件单轴拉伸破坏模式及岩桥变形特征

2.1 含两组叠置X型裂隙单轴拉伸破坏模式及岩桥贯通特征

含两组叠置X型裂隙试件单轴拉伸破坏模式见图3(表示工况(1)～(12)的破坏模式)。

由图3可以看出，裂隙扩展方向与最大拉应力方向垂直，所有测试试件单轴拉伸情况下未出现岩桥贯通情况，所有破坏均在一组裂隙处发生，未与第二组裂隙产生干涉。随着次裂隙位置的变化，裂隙破坏断面由“_/ˉ”字形向“一”字形变化。裂隙启裂与扩展以主裂隙裂尖为主，占试件比例数的8/12，裂隙从主、次裂隙处启裂占试件总数的4/12，没有全部从次裂隙裂尖启裂的试件。裂隙从主、次裂隙处启裂分2种情况：① 次裂隙位置接近最大主应力的垂直方向，如图3(j)所示，工况C10;② 主、次裂隙与最大主应力方向的夹角比较接近，如图3(e)，(f)和(g)所示，工况C5，C6和C7。

由实验观察可以看出，单轴受拉状态下，裂隙启裂与试件拉断破坏的时间间隔非常短，裂隙扩展以非稳定扩展完成。虽然结构是对称的，但由于本文所用的类岩石材料是脆性材料，在单轴受拉的条件下，裂隙扩展是非稳定扩展，上组或下组裂隙中只要有一组产生了启裂，启裂后裂隙以高速扩展导致试件破坏，不会给另一组裂隙扩展的机会和时间，因此导致破坏裂隙只在一组裂隙中出现。但在含两组裂隙试件单轴压缩实验中，由于裂隙扩展有明显的稳定扩展和非稳定扩展阶段，因此上下两组裂隙都会产生启裂及扩展，这是含两组裂隙试件单轴拉伸试验与压缩的不同。

2.2 单轴拉、压情况下岩桥贯通模式对比

由已有对单轴受压情况下的研究成果可知[3]，含雁行裂隙试件岩桥贯通分4种类型：剪切型，张拉型，混合型(剪切与张拉混合)及无贯通4种，前3种贯通形式如图4(a)，(b)及(c)所示。笔者对含两组交叉裂隙类岩石材料试件进行了单轴压缩试验，试件岩桥贯通模式如图4(d)，(e)及(f)所示，根据岩桥贯通的裂隙形式可判断贯通裂隙属剪切型(图4(d))及张拉型岩桥贯通模式(图4(e)和(f))。

图3 各工况破坏模式Fig.3 Failure mode of every testing condition

图4 单轴压缩情况下岩桥贯通模式Fig.4 Coalescence modes of specimens under uniaxial compression

由本文的实验结果可以看出，含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴受拉情况下岩桥无贯通(图3)。

在单轴受压及拉伸情况下岩桥贯通形式有此不同，原因如下：单轴受压情况下岩桥处裂尖会产生翼裂纹(张拉裂隙)与二次裂隙(剪切裂隙)，翼裂纹以启裂角启裂后，向最大压应力方向(竖直方向)扩展，随着荷载增大，岩桥处上下两裂尖产生的沿接近竖向的裂隙扩展至裂隙连通，从而实现岩桥的张拉型(图4(c)，(e)及(f))及混合型贯通(图(b));当两条雁行裂隙位置接近一条直线时，翼裂纹的扩展不能形成贯通，二次裂隙的扩展产生剪切裂隙控制的岩桥贯通(图4(a)及(d))。而在单轴受拉情况下，裂尖处的裂隙扩展方向与最大拉应力方向垂直，沿接近水平方向扩展，不会产生向下(或向上)的裂隙扩展，也不会产生剪切裂隙，所以含两组叠置X型裂隙试件在单轴受拉情况下不会产生岩桥贯通行为。

3 含X型裂隙岩石试件单轴拉伸强度及单轴拉压强度对比分析

3.1 含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸峰值强度

本研究各测试工况下的应力-应变关系如图5所示，峰值强度，破坏应变及拉弹模列于表2。各工况下主次裂隙夹角β与强度、破坏应变及拉伸弹性模量关系如图6～8所示。

从图5及表2可以看出，含单一裂隙试件单轴拉伸强度高于含交叉裂隙试件，这与文献[21-22]对含交叉裂隙试件单轴压缩时的规律有所不同，在单轴压缩情况下，含交叉裂隙试件在较多工况下单轴压缩强度高于含单一裂隙试件。在单轴拉伸情况下，含交叉裂隙试件强度低于含单一裂隙试件。

图5 各工况应力-应变关系Fig.5 Stress-strain relations of testing conditions

工况强度/MPa破坏应变拉伸弹性模量/MPaC10961000401302515C20857000515222333C30771000494171621C40900000629158412C50763000386452727C60745000517312687C70807000431302939C80563000392280389C90492000380301433C100457000354171697C110602000515169119C120754000557207875

图6 各工况β角-强度曲线Fig.6 β-strength curve of all testing conditions

图7 各工况β角-破坏应变曲线Fig.7 β-failure strain curve of all testing conditions

图8 各工况β角-拉伸弹性模量曲线Fig.8 β-tensile elastic modulus curve of all testing conditions

由图6～8可以看出，主次裂隙夹角β对强度、破坏应变及拉伸弹性模量都有影响，但是影响规律不同。当β角在135°时(工况C10)，即次裂隙与最大拉应力方向垂直时，试件强度最低(图6)，破坏应变也最小(图7)。出现这种影响的原因是当次裂隙与最大拉应力方向垂直时，次裂隙裂尖的受拉裂隙与其他工况相比最易启裂并扩展，因此此时强度最低，此时的破坏应变也最低。当β角在45°时(工况C4)，即次裂隙与最大拉应力方向相同时，强度最高(图6)，破坏应变也最高(图7)。其原因是当次裂隙与最大拉应力方向相同时，次裂隙裂尖最不易启裂及扩展，因此此时强度最高。由于类岩石材料的脆性特征，类岩石材料在受拉时应力达到峰值后，应力-应变曲线呈接近铅锤降落，且曲线在峰值应力前段有很强的线性关系(图5)。β角在45°时试件具有最大的破坏应变，而β角在135°时具有最小的峰值应力，由于弹性模量是线性段应力与应变的比值，因此这两个工况出现了较低的拉伸弹性模量(图8)，其中β角在45°时拉伸弹性模量最低。但是由于拉伸弹性模量同时取决于应力与应变这两个量的值，因此作者认为β角对拉伸弹性模量的最大/最小值的影响有一定的不确定性。

3.2 单轴压缩及拉伸下的含X型裂隙岩体强度对比

本文实验工况下，受拉情况下含X型裂隙试件抗拉强度低于含单一裂隙试件，这一点与受压时含交叉裂隙试件强度规律不同，受压情况下，含X型裂隙试件在多种工况下出现了高于含单一裂隙试件的强度[21-22]。

单轴压缩及拉伸下的含X型裂隙岩体力学特征有此不同，原因如下：图9是含单一裂隙及叠置X型裂隙试件在单轴压缩及单轴拉伸情况下破坏模式，由图9(a)，(b)及(c)及文献[22]的分析可以看出，受压情况下，次裂隙的出现在部分情况下，能使稳定扩展的翼裂纹扩展幅度增大，同时剪切裂隙的扩展得到一定程度的抑制，而含裂隙试件单轴受压破坏控制路径是剪切裂隙，因而次裂隙的出现部分情况下能对单轴压缩试件起到提高强度的作用;由图3及图9(d)，(e)可以看出，单轴受拉情况下的含X型裂隙试件，其破坏过程不会出现剪切裂隙，次裂隙的出现不能起到抑制剪切裂隙扩展的作用，因而在单轴受拉情况下未出现含交叉裂隙试件强度高于含单一裂隙试件强度的现象。

图9 含单一裂隙及叠置X型裂隙试件在单轴压缩及单轴拉伸情况下破坏模式Fig.9 Failure modes of specimens with a single or X-type flaw/flaws under uniaxial compression and uniaxial tension (a),(b)及(c)是文献[22]中单轴压缩破坏模式;(d)及(e)是本文单轴拉伸试验结果

4 结 论

(1)含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉伸作用下破坏模式及岩桥贯通模式与压缩作用下表现不同。

(2)含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉伸作用下岩桥处不会出现贯通现象。

(3)含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉伸作用下次裂隙位置影响试件强度。

(4)在主裂隙位置固定情况下，含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件次裂隙角度与最大拉应力方向垂直时强度最低;次裂隙角度与最大拉应力方向相同时强度最高。

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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

国家自然科学基金面上资助项目(51379114,41672281);国家自然科学基金青年基金资助项目(51509146)

张 波(1977—)，男，山东济南人，副教授，博士。E-mail:zhangbo1977@sdu.edu.cn

张波，杨学英，李术才，等.含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征[J].煤炭学报,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