裂隙几何特征对岩体力学特性的模拟试验研究

白 杰，袁 超

（1.中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016；2.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054）

岩体工程受内部微裂纹等细观缺陷及裂隙等宏观缺陷的影响，在外荷载不断变化下，裂纹会在某些结构面或其中的薄弱部位逐渐地扩展、演化和汇合，易出现围岩失稳。岩体工程灾害问题严重制约了资源开采利用，根本原因是对岩体工程材料缺乏足够认识，研究岩体损伤及强度特性则是解决工程灾害难题的科学基础[1-2]。近年来，学者们对裂隙岩体力学特性的研究取得了许多阶段性成果。ZHAO等[3]、LI 等[4]对含有裂隙类岩石材料开展了单轴压缩试验，发现裂纹凝聚的类型与裂隙的几何形状有关；赵建军等[5]通过类岩石材料，研究了不同长度裂隙对岩石力学性质的影响，得到了岩体强度与裂隙长度负相关关系；张伟等[6]研究了裂隙倾角对岩样压缩变形特性的影响，分析得到了不同倾角裂隙岩样的破坏形态；冒海军等[7]、崔景昆等[8]通过力学特性试验，得到了结构面倾角与抗压强度之间的关系；李文洲等[9]通过对裂隙煤岩体变形破坏特征的研究，分析了裂隙扩展临界载荷与裂隙不同角度间的关系；刘红岩等[10]、鲜于文攀等[11]基于相似材料对岩石进行单轴模型试验，并将裂隙岩体的破坏模式分为张性贯通、剪性贯通和张剪性贯通；李术才等[12]、李团结等[13]通过CT 实时观测得到了荷载作用下裂隙岩体的裂纹扩展规律；JIANG 等[14]利用单轴压缩试验研究了含预制裂隙岩样的裂纹扩展机制及破坏模式。除此之外，一些学者还通过压缩模拟试验来研究裂隙倾角变化导致岩体抗压强度的各向异性[15-19]。

以上研究从试验层面对裂隙岩体进行宏观力学特性的研究较多，通过宏细观综合效应反映岩体力学特性的研究较少；考虑裂隙单一的形状、大小、位置等对岩体变形破坏过程影响的研究较多，考虑裂隙几何特征影响的研究较少；采用类岩石材料模拟裂隙进行室内试验的研究较多，基于真实岩体材料研究较少，试验结果存在一定误差，很难直接指导工程实践。为此，对含预制裂隙砂岩开展单轴压缩试验，辅以SEM、NMR、Vic-3D 应变测量等技术，重点研究不同裂隙几何特征对岩体物理力学性质的影响规律。

1 材料和方法

1）试验设计。钻取φ50 mm×100 mm 的标准圆柱岩样，利用水刀在岩样上制作不同几何特征的裂隙，用于岩体抗压强度的测试。最终用于试验的完整岩样3 块，裂隙岩样36 块（不同裂隙长度9 块；不同裂隙贯穿度9 块；不同裂隙数量9 块，不同裂隙倾角9 块）。本试验采用单因素控制变量法，即考虑不同裂隙长度时，裂隙贯穿度、数量及倾角均为定值。岩样试验分组见表1。

表1 岩样压缩试验分组表Table 1 Grouping table of rock sample compression test

2）试验设备。Vic-3D 非接触式全应变测量系统由计算机控制、设备校准、图像采集、采光照明、数字分析5 部分组成，能够获得岩样表面位移场和应变场的分布。核磁共振成像分析系统由试验台和操作分析台2 部分组成，能够对岩样内部的微观结构进行测试。

3）试验步骤。试验分预压阶段和正式试验2 个阶段，具体操作步骤如下：将岩样上下表面打磨平整，采用凡士林润滑减小端部约束；预加载1 kN 的力以固定岩样，试验过程采用0.05 mm/min 轴向位移控制直至岩样失稳破坏；对加载破坏后的岩样用透明收集袋收好、编号，并拍照记录；计算岩样的抗压强度、弹性模量等力学参数，试验结果取平均值，并绘制相应的应力-应变曲线；对差异性较大的岩样数据，应重新进行试验。

2 岩样物理力学特性

2.1 超声纵波

岩样平均纵波波速图如图1。

图1 岩样平均纵波波速图Fig.1 Average longitudinal wave velocity of rock samples

由图1 可知：声波在完整及裂隙岩样传播时，其波速表现出一定的差异性。相较于完整岩样，裂隙岩样波速随着裂隙长度、贯穿度及数量的增加，波速呈加速下降趋势；而随着裂隙倾角的增加，波速呈现先减小后增大的趋势。分析原因：声波在液体中的传播速度大于空气中速度，因此不同裂隙几何特征岩样的波速整体低于完整岩样，且在通过裂隙岩样时，声波由于发生折射、反射及能量损失，波速也会发生衰减。

2.2 孔隙特征

岩样扫描电镜图如图2。

图2 岩样扫描电镜图Fig.2 SEM of rock sample

由图2（a）岩样500 倍电镜图像特征可以看出:岩样的基本骨架由规则不一的颗粒随机分布构成，颗粒间边界明显，粒间孔和粒间隙由矿物碎屑填充和黏土矿物黏结；由图2（b）1 000 倍电镜图片可知：颗粒间间隙主要由位于颗粒表面薄膜状的黏土矿物胶结，但仍有部分粒间孔存在。

2.3 力学特性

岩样应力-应变曲线图如图3。

图3 岩样应力-应变曲线图Fig.3 Stress-strain curves of rock samples

由图3（a）可知：完整岩样应力-应变曲线压密段较短，弹性段曲线斜率最大，裂隙长度由10 mm增加到20、30 mm 时，岩样表现为压密段增长，弹性段曲线斜率减小，峰值点应力降低，岩体抗压强度随裂隙长度的增加不断减小，完整岩样表现出明显脆性破坏，岩样随着裂隙长度的增加，表现为脆性减弱，塑性增强；由图3（b）可知：不同裂隙贯穿度岩样曲线变化趋势与完整岩样一致，压密段和弹性段近乎重合，在其达到峰值应力后，曲线呈快速下降趋势，表现出明显的塑性特征；由图3（c）可知：不同裂隙数量岩样压密段趋势近似一致，岩样弹性段曲线斜率、峰值强度均随裂隙数量的增加而逐渐减小；由图3（d）可知：不同裂隙倾角岩样应力-应变曲线趋势与完整岩样基本一致，峰后曲线下降速率明显，岩体表现为脆性破坏。

2.4 破坏模式

2.4.1 不同裂隙长度岩体破坏模式

不同裂隙长度岩样破坏形态及裂纹扩展如图4。

图4 不同裂隙长度岩样破坏形态及裂纹扩展Fig.4 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack lengths

由图4 可知：单轴压缩下裂纹从岩样两端开始萌生，随着荷载的增加裂纹不断发育、扩展直至岩样破坏，表现为明显的拉伸破坏；随裂隙长度的增加岩样表现为明显的剪切破坏，在受力过程中裂纹沿着裂隙的两端开始起裂发展，最终与预制裂隙汇合贯通，岩样发展破坏。分析原因：当岩样完整时在轴向加载下，主要受拉应力，整体呈现拉伸破坏；当裂隙长度增加时，预制裂隙相互间的尖端既受压应力又受拉应力，尖端破坏后形成沿着预制裂隙和垂直预制裂隙倾斜方向的翼型裂纹和反翼型裂纹。

2.4.2 不同裂隙贯穿度岩体破坏模式

不同裂隙贯穿度岩样破坏形态及裂纹扩展如图5。

图5 不同裂隙贯穿度岩样破坏形态及裂纹扩展Fig.5 Failure modes and crack propagation of rock samples with different crack penetration

由图5 可知：不同贯穿度裂隙岩样主要裂纹形式有剪切裂纹、翼型裂纹和反翼型裂纹，并伴有远场拉伸裂纹及各方向细微次生裂纹，对比完整岩样压缩破坏裂纹形式更加复杂。分析原因：由于裂隙贯穿度的不断增加，造成岩样的竖向拉伸裂纹逐渐向预制裂纹尖端应力集中区的剪切裂纹倾斜，且衍生出的翼型裂纹及反翼型裂纹逐渐增多，岩样内部抵抗荷载的面积减小，抵抗剪切变形的能力减弱，破坏模式由拉伸破坏向剪切破坏转变。

2.4.3 不同裂隙数量岩体破坏模式

不同裂隙数量岩样破坏形态及裂纹扩展如图6。

图6 不同裂隙数量岩样破坏形态及裂纹扩展Fig.6 Failure modes and crack propagation of rock samples with different cracks

由图6 可知：岩样裂纹形式无论是翼型裂纹还是反翼型裂纹，岩样在破坏过程中会伴随着次生裂纹的产生；随着裂隙数量的增加，岩样由单条裂隙的剪切破坏向多条裂隙岩桥间扩展和贯通的反翼型裂纹破坏转变。分析原因：对比完整岩样，不同裂隙数量岩样裂隙尖端更易产生翼型裂纹和反翼型裂纹，裂纹在岩桥内联结贯通，端部反翼型裂纹不断发育、扩展，岩样发生破坏。

2.4.4 不同裂隙倾角岩体破坏模式

不同裂隙倾角岩样破坏形态及裂纹扩展如图7。由图7 可知：不同裂隙倾角岩样在变形破坏过程中，除了出现翼型裂纹和反翼型裂纹，岩样破坏均有次生裂纹的产生；当倾角β≤45°时，在轴向加载下预制裂隙尖端主控因素为拉应力，尖端发生破坏后形成沿预制裂隙倾斜方向的裂纹逐渐扩展，形成翼型裂纹；当45°＜β＜90°时，预制裂隙尖端主控因素为压应力，尖端破坏后形成沿预制裂隙倾斜相反方向的裂纹扩展形成反翼型裂纹；裂隙倾角为90°时，岩样破坏形态受预制裂隙影响较小，破坏形态表现为明显的拉伸破坏。

图7 不同裂隙倾角岩样破坏形态及裂纹扩展Fig.7 Failure modes and crack propagation of rock samples with differen angles

3 岩样裂纹扩展演化规律

裂纹扩展规律分析按层次递进分析，第1 层岩样破坏形态，第2 层岩样应变云图，第3 层为岩样应变3D 云图。便于分析，黑色线条表示预置裂隙，红色线条表示不同剪切裂纹、拉伸裂纹、翼裂纹、反翼裂纹及岩样剥落等。

3.1 完整岩样

完整岩样裂纹扩展及应变云图如图8。

图8 完整岩样裂纹扩展及应变云图Fig.8 Cloud diagrams of crack propagation and strain of intact rock samples

由图8 可知：岩样加载初期不受荷载作用，表面应变为0；待岩样进入压密段后，内部微裂隙受到荷载作用，使得原生裂纹被压密，紫色压应变区域表现出大致平行于加载方向的条带状，应变量明显增加，裂纹端部局部拉伸，且有相互贯通的趋势；岩样最终发生破坏、脱落，表现为明显的张拉破坏。

3.2 20 mm 裂隙岩样

20 mm 裂隙岩样裂纹扩展及应变云图如图9。

图9 20 mm 裂隙岩样裂纹扩展及应变云图Fig.9 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 20 mm fracture rock samples

由图9 可知：原有裂纹上下尖端产生红色拉伸应变区，在拉应力作用下产生发丝状反翼型裂纹；随着岩样压应力的不断增大，岩样上下端靠近加载接触面部位应变量明显增加，岩样内部离预制裂隙较远的位置开始出现剪切型裂纹，对应云图中左上角位置和右下角位置，该裂纹迅速向着临近的裂隙尖端和端面扩展；最终裂纹经历萌生、起裂、扩展、衍生及贯通阶段，反翼型裂纹逐渐明显。

3.3 45°裂隙岩样

45°裂隙岩样裂纹扩展及应变云图如图10。

图10 45°裂隙岩样裂纹扩展及应变云图Fig.10 Cloud diagrams of crack propagation and strain of 45° fracture rock samples

由图10 可知，岩样在加载初期，上下两端部逐渐出现裂纹并向预制裂隙处延伸；随着轴向荷载的不断增大，岩样端部应变量增加并产生局部拉伸，形成2 条翼型裂纹和1 条反翼型裂纹；翼型裂纹发育扩展最终与预制裂隙汇合贯通，岩样发生剪切破坏。

4 岩样细观特性

4.1 孔隙度与裂隙特征及抗压强度关系

NMR 孔隙度表征岩体压缩破坏特性如图11。

图11 NMR 孔隙度表征岩体压缩破坏特性Fig.11 NMR porosity characterization of rock mass compression failure characteristics

由图11 可知：30 mm 裂隙岩样试验后孔隙度明显增加，但对应的岩样强度最低，说明预制裂隙和荷载的作用加剧了岩样孔隙结构的改变质，进而影响岩体力学性能；荷载作用下岩样孔隙度值变大，对应其抗压强度值越低，两者呈线性关系。对比完整岩样和不同裂隙长度岩样试验前后抗压强度的变化，由25.23 MPa 减少到3.88 MPa，变化幅度较大，说明裂隙长度越长，岩样裂纹扩展速度越快；而不同裂隙贯穿度、倾角岩样孔隙度和抗压强度变化幅度不大，即孔隙度对抗压强度敏感性不强。

4.2 谱面积与裂隙特征及抗压强度关系

NMR 谱面积表征岩体压缩破坏特性如图12。

图12 NMR 谱面积表征岩体压缩破坏特性Fig.12 NMR spectrum area characterizes the compression failure characteristics of rock mass

由图12 可知：完整及裂隙岩样试验前后谱面积有明显的增加，说明岩样微裂隙、微孔隙及预制裂隙的存在导致岩体力学性能的劣化；对比完整及裂隙岩样试验前后NMR 谱面积，以不同裂隙长度岩样为例，谱面积变化范围由8 347.21～9 873.97，对应岩样强度下降幅度达84.62%，表明NMR 谱面积能反映岩样的抗压强度，即谱面积越大，岩样抗压强度越低。

综上分析，岩样NMR 孔隙度与谱面积成正比，且均与岩样抗压强度呈负相关，即岩样孔隙度、谱面积越大，对应抗压强度越小。研究岩体内部孔隙分布状态可以对实际工程提供理论依据。

5 结 论

1）裂隙岩样比完整岩样具有更高的孔隙率，从而影响岩体的基本力学特性，导致岩体强度劣化。裂隙岩样的波速整体低于完整岩样，且声波速度随裂隙长度、贯穿度及数量的增加呈现下降趋势，随裂隙倾角的增大呈现先减小后增大的趋势。

2）完整及裂隙岩样应力-应变曲线均可分为裂隙初始压密、弹性变形、塑性变形以及应变软化4 个典型阶段。岩样在达到峰值应力后强度迅速衰减，表现出明显的脆性特征。30 mm 裂隙岩样峰值应力最低，90°裂隙岩样强度最高，接近完整岩样。

3）完整岩样主要表现为张拉破坏；不同裂隙长度、数量岩样表现为剪切破坏，其中3 条裂隙岩样远场伴随有拉伸裂纹；25%和50%裂隙岩样以张拉为主、剪切为辅的破坏形态，75%和100%裂隙岩样则以剪切为主、拉伸为辅的破坏形态；0°和90°裂隙岩样发生张拉破坏，而30°、45°和60°裂隙岩样则发生剪切破坏。

4）完整及裂隙岩样孔隙度和谱面积受荷后均有大幅增加，表明荷载作用能够改变岩样内部孔隙结构，进而影响其宏观力学特性。完整岩样孔隙结构以微小孔隙为主，裂隙岩样则主要以中大孔隙和预制裂隙为主，受荷后岩样微小孔隙比重降低，大中孔隙和预制裂隙比重增大，表明预制裂隙对岩样造成的初始损伤能影响岩样的孔隙结构。