含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.398

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

陈昊然^,, 曹平, 冉龙威

中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

Experimental Study of Rock-like Material with Zigzag Fracture Under Uniaxial Compression

CHEN Haoran^,, CAO Ping, RAN Longwei

School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

收稿日期: 2018-06-14 修回日期: 2018-12-17 网络出版日期: 2019-07-08

基金资助:

国家自然科学基金项目“开挖卸载诱导下的硬岩断裂破坏机理与尺寸效应研究”. 11772358

Received: 2018-06-14 Revised: 2018-12-17 Online: 2019-07-08

作者简介 About authors

通信作者:陈昊然（1992-），男，湖南永州人，硕士研究生，从事岩石力学研究工作331340842@qq.com , E-mail：331340842@qq.com

摘要

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性，制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件，并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹，且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式，裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著；（2）当裂隙倾角较小时，试件应力—应变曲线为多峰曲线，随着裂隙倾角的增大，曲线呈单峰形式，表现为延性减弱，脆性增强，而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同；（3）当裂隙起伏角相同时，试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律，且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。

关键词： 类岩材料 ; 齿形裂隙 ; 单轴压缩 ; 裂纹类型 ; 破坏模式 ; 强度特性

Abstract

As a complex natural medium，rock has formed cracks with different geometrical sizes and spatial combination characteristics in its interior after a long process of geological tectonics，which seriously affects the physical and mechanical properties of rock.Therefore，the study on crack initiation，propagation and penetration of rock materials and rock-like materials with cracks is of great significance for practical engineering.In order to investigate the strength and failure characteristics of the rock with zigzag fissure under uniaxial compression,the rock-like specimens are made by mixing C42.5 portland cement，fine sand，and water at a mass volume ratio of 2∶2∶1.The uniaxial compressive strength of this material is between 30~60 MPa，belonging to the sub-hard rock，which can represent the fracture behavior of most rocks in nature.The zigzag fissures are created by inserting aluminum shims into cement mortar paste and removing them during curing.Finally，the tooth-shaped specimens with different crack dip angle （β） and fluctuation angle （α） were obtained.The uniaxial compression test were conducted through rock mechanical servo test machine and loading process，crack initiation were observed and recorded by the camera.The test results show that：（1） There are three types of cracks observed,which are tensile cracks，shear cracks and tensile-shear cracks，and the failure modes of the specimen can be classified into three categories,that is A （tensile failure），B （shear failure），and C （compound failure）. For β∈（0°，30°），tensile wing crack is initiated from the tips of fissure which lead the flawed specimens to fail,naming A mode. For β∈（45°，60°），shear crack is observed in all flawed specimens,naming B mode.Tensile-shear compound failure (B mode)is observed in the specimens with β=75° and 90°. The inclination angle strongly affects failure modes，while the undulating angle seem to play only a minor role with respect to failure characteristics of specimen. （2）When the dip angle is small，the stress-strain curve of the specimen is multi-peak curve.With increasing of inclination angle，the stress-strain curve gradually transform to single-peak shape，and the post peak curve shows ductility weakening and brittleness enhancement.The residual strength curve of the specimens indicate that particle friction play a major role for residual strength under uniaxial compression.However，for the specimen with same inclination angle，the stress-strain curves for different undulating angles are roughly the same.（3）The lowest equivalent peak strength of the specimens is normally observed when β=30°. When the undulating angle is the same，the equivalent peak strength of specimens decreases as inclination angle increases from 0° to 30°，and increases for inclination angle α>30°, while the influence of the fracture undulation angle on the equivalent peak strength of specimens is smaller than the dip angle of fracture.

Keywords： rock-like material ; zigzag fracture ; uniaxial compression ; types of crack ; failure mode ; strength characteristic

PDF (4687KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

陈昊然, 曹平, 冉龙威. 含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 398-405 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.398

CHEN Haoran, CAO Ping, RAN Longwei. Experimental Study of Rock-like Material with Zigzag Fracture Under Uniaxial Compression[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(3): 398-405 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.398

岩石是一种复杂的天然介质，经过漫长的地质构造作用，其内部形成了不同几何尺寸与空间组合特征的裂隙，这些裂隙严重影响着岩石的物理力学性质。因此，开展含裂纹岩石及类岩石材料的裂纹起裂、扩展及贯通研究对实际工程具有十分重要的指导意义。

近年来，国内外对裂隙岩样的破坏特性及强度特征展开了大量的研究^[1,2,3]。Wong等^[4]通过对含不同角度裂隙岩石进行单轴压缩试验，根据裂纹的几何分布和扩展机制确定了7种不同的裂纹类型；谢其泰等^[5]和杜贻腾等^[6]选用砂岩作为试验材料，研究了不同裂纹倾角对裂纹扩展的影响，结果表明，裂纹起裂角随预制裂纹倾角的增加而增大；林鹏等^[7]通过试验研究和数值模拟得出，在单轴压缩作用下，裂纹扩展和最后的破坏行为受预制单裂纹缺陷的角度影响。此外，众多学者^[8,9,10,11]在单裂隙的基础上，对不同组合特征的2条裂隙或多条裂隙展开研究，并取得了较好的成果。除了室内试验外，国内外学者还运用数值模拟方法做了大量的研究：Kulatilake等^[12]运用离散元颗粒流软件PFC^3D研究得出含节理裂隙的岩体抗压强度随断裂张量的增加而减小；考虑到岩石的非均质性和各向异性，岩石真实破裂系统RFPA已成为最常用的数值模拟软件之一，在岩石破坏问题上得到较为广泛的应用^{[13,14,15,16]}。

在实际工程岩体中，裂隙的几何分布形式多样，而有关含起伏齿状裂隙岩体在单轴压缩条件下的研究还鲜见报道。本文通过制作多组含预制齿状裂隙的类岩石材料试件，进行单轴压缩试验，研究了单轴压缩条件下不同裂隙倾角和起伏角对试件破坏模式及强度特性的影响。

1 实验概况

1.1 试件制备

为了模拟含裂隙岩体的破坏情况，实验所用试件由425硅酸盐水泥，砂，水按1∶1∶0.5（质量比）在室温下混合制作而成。通过对完整试件进行相关物理力学实验得到此类材料的力学参数（表1）。参照《岩土工程勘察规范》^[17]中岩石强度分类，该材料单轴抗压强度在30~60 MPa之间，属于次硬岩石，可以表征自然界中多数岩石的破裂行为。

表1 试件物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of

参数名称	数值	参数名称	数值
密度/（kg·m^-³）	1 982	抗拉强度/MPa	3.45
单轴抗压强度/MPa	39.27	黏聚力/MPa	6.12
弹性模量/GPa	17.56	内摩擦角/（°）	34

新窗口打开| 下载CSV

试件尺寸为150 mm×150 mm×30 mm（宽×高×厚），通过在试样中心插入厚度为0.4 mm的齿型铝合金薄片预制锯齿形裂隙，在试件初凝之前将铝片拔出，之后在室温下养护24 h后进行拆模，拆模后再在室温下养护28 d后进行试验。整条预制裂隙左右端点距离为60 mm，每个锯齿宽度为15 mm。本次试验主要研究2个裂隙几何参数：裂隙倾角β（齿根线与水平线夹角）与齿型裂隙起伏角α（齿边与齿根线夹角）的组合变化对试件破坏模式和强度变化的影响。裂隙倾角设置为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°共7组。每组预制5种不同的裂隙起伏角，分别为0°，15°，30°，45°，60°（对应的裂隙边长分别为7.5，7.8，8.7，10.6，15.0 mm）。裂隙布置相同的试件不少于2组，试验完成后，对于同类型试件，剔除试验结果离散性较大的试件，试件及裂隙具体几何参数见图1。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 试件几何尺寸示意图

Fig. 1 Schematic of geometric dimension of specimen

1.2 试验设备及加载条件

本次试验在高精度微机控制电液伺服万能试验机上进行。试验采用位移加载的方式施加轴向荷载，加载速率为0.12 mm/min，为尽可能地减弱端部效应对试验结果的影响，试验前预先在试件上下端部与刚性承压板之间布置涂抹黄油的橡皮垫。在试验过程中，用高清摄像机拍摄并记录各个试件的整个破坏过程，以便后续对试件的破坏模式进行分析。

2 单轴受压条件下裂纹的起裂和扩展

根据断裂力学理论，当微裂纹的应力强度因子K_J大于材料的断裂韧性K_JC时，试件开始起裂；而预制裂隙在受力时其尖端所产生的拉应力和剪应力是产生裂隙应力集中、迫使裂纹起裂和扩展的驱动力，因此，研究裂纹的起裂驱动力是很有必要的。

根据裂隙周边的受力情况，建立单轴压缩条件下裂隙受力状况的力学模型，如图2所示^[18]。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 受单轴压缩的倾斜裂隙

Fig.2 Inclined crack under uniaxial compression

根据弹性力学理论可求得裂隙面上的应力状况如下：

\{\begin{array}{l} σ_{x} = p s i n^{2} θ \\ σ_{y} = p c o s^{2} θ \\ τ_{x y} = p s i n θ c o s θ \end{array}

(1)

式中：p为法向应力； $σ_{x}$ 为裂隙面x方向的应力； $σ_{y}$ 为裂隙面y方向的应力； $τ_{x y}$ 为裂隙面的剪切应力。

当裂隙尖端发生剪切破坏时，考虑受压状况下裂隙上下表面闭合产生摩擦效应，驱动预制裂隙尖端微裂隙起裂和扩展的动力为裂隙面的有效剪应力，设裂隙面的摩擦因数为 $f$ ，则引起剪切破坏的有效剪应力为

τ_{e} = τ_{x y} - f σ_{y} = p c o s θ (s i n θ - f c o s θ)

(2)

式中： $f$ 为摩擦因数； $τ_{e}$ 为等效剪应力。

当裂隙发生拉伸破坏时，微裂隙的起裂位置大致沿着平行于最大压应力p方向（即轴向）向两侧拉伸扩展，故裂纹的有效拉伸扩展驱动力为

F_{t} = σ_{y} s i n θ - f σ_{y} c o s θ

(3)

即

F_{t} = p c o s^{2} θ (s i n θ - f c o s θ)

(4)

式中： $F_{t}$ 为裂纹拉伸驱动力。

研究表明，裂隙尖端的裂纹扩展大致可划分为2种，即翼型裂纹和次生裂纹^[19]（图3）。其中，翼型裂纹属于张拉裂纹，与预制裂隙呈一定角度萌生于预制裂隙尖端，之后沿着轴向加载方向扩展；次生裂纹根据其扩展路径不同又可划分为共面次生裂纹和倾斜次生裂纹，倾斜裂纹扩展迹线与翼型裂纹方向相反，次生共面裂纹扩展方向与预制裂隙方向大致相同。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 单轴压缩条件下试件中的裂纹类型

Fig.3 Crack types in specimens under uniaxial compression

3 试验结果及分析

3.1 试件破坏模式分析

本次试验通过改变裂隙起伏角α和倾斜角β，得到试件在单轴压缩条件下破坏的35种状况。在试验过程中，试件主要产生了翼型拉伸裂纹、共面次生剪切裂纹和拉剪复合裂纹。根据裂隙扩展路径将破坏模式划分为3种主要模式：起裂于预制裂隙端部且沿轴向扩展的A型拉伸破坏；以剪切裂纹为主的B型剪切破坏；起裂于锯齿尖端的剪切裂纹逐渐转变为纵向拉伸扩展的C型复合破坏（图4,5,6中T代表拉伸裂纹，S代表剪切裂纹）。试验中，通过对比不同工况下试件的破坏情况发现，裂隙倾角在影响裂隙体微裂纹的贯通方式和整体破坏模式上起主导作用。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 A型破坏模式过程图

Fig.4 Failure process graph of type A

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 B型破坏模式过程图

Fig.5 Failure process graph of type B

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 C型破坏模式过程图

Fig.6 Failure process graph of type C

当裂隙倾角β较小时（0°≤β≤30°），试件主要发生A型拉伸破坏，本文以β=0°时试件的破坏情况（图4）为例，分析其破坏过程。可以发现在加载初期，预制裂隙在轴向荷载的作用下逐渐被压密闭合，由于锯齿尖端产生拉应力集中，试件在锯齿尖端处萌生拉伸微裂纹，之后微裂纹逐渐向试件边界扩展，当拉裂纹（翼裂纹）扩展至试件端部后，随着荷载的持续增加，裂纹继续张拉，导致试件在虚线位置产生类似的起裂于预制裂隙两端的拉裂纹，最终在宏观上形成呈“X”形的破坏形态。观察所有试件预制裂隙的破坏情况可知，由于此类试件并没有发生明显的剪切滑动，因此预制裂隙几乎没有出现严重的破坏。

随着裂隙倾角β逐渐增大（β=45°和β=60°），试件产生了B型破坏（图5）。试件在加载初期并没有明显的裂纹产生，仅仅在预制裂隙左下和右上端部萌生一小段共面次生剪切裂纹，同时，上部裂隙出现了轻微的横向移动，这说明预制裂隙有相对滑动的趋势[图5（a）]。随着荷载的继续增加，由于预制裂隙的相对错动，原先产生的剪切裂纹继续扩展至试件端部致使试件发生破坏[图5（b）]。由图5（c）还可以观察到试件的预制裂隙出现了明显被“剪碎”的现象，且预制裂隙两端的试件表面发生了剥落，这是由于预制裂隙两端的剪应力集中造成的。

当裂隙倾角β $\geq$ 75°时（图6），产生的裂纹类型比较复杂，但基本上所有裂纹都起裂于预制裂隙尖端或锯齿尖端，说明这些位置应力集中明显，预制裂隙破坏严重，形成了一条明显的破碎带。分析其破坏过程可以发现，在加载初期预制裂纹端部萌生了剪切裂纹[图6（a）];继续加压，剪切面上产生摩擦现象，剪切裂纹基本停止扩展[图6（b）];当荷载加载到一定程度后，试件顶端产生了纵向拉伸裂纹[图6（c）];随后拉伸裂纹与剪切裂纹贯通，扩展一小段后继续纵向扩展至试件端部，整个破坏过程速度很快，表明当裂隙倾角较大时，试件破坏时的脆性特征更为明显。

3.2 试件应力—应变曲线分析

由于篇幅所限，选择起伏角为30°时发生典型破坏试件的全应力—应变曲线（图7）和裂隙倾角为45°时不同起伏角试件的全应力—应变曲线（图8）进行分析，由图中可以看出各试件应力—应变曲线有如下特征：

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 起伏角相同倾角不同时试件的应力—应变曲线

Fig.7 Stress-strain curves of specimens with the same fluctuation angle and different dip angles

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 倾角相同起伏角不同时试件的应力—应变曲线

Fig.8 Stress-strain curve of specimens with the same dip angle and different fluctuation angle

（1）所有试件应力—应变曲线均经历了裂隙压密、弹性变形、塑性变形和破坏后4个阶段，且同一倾角条件下的试件应力—应变曲线形式类似。

（2）由图7可知，当β=0°时，试件应力—应变曲线为双峰曲线，且第二个峰值强度均小于第一个峰值强度，表现出一定的屈服性。这是由于试件在加载过程中先后产生了2组拉伸裂纹，当第一组裂纹发育完成后，试件承载结构并未完全破坏，但应力出现明显的跌落，之后荷载继续增加，随着第二组裂纹的萌生和扩展，应力再次发生跌落，因此2次应力降分别代表着先后2组裂纹的发育及扩展，符合前文所述的A型破坏模式。随着β的增大，当45°≤β≤90°时，试件的应力—应变曲线逐渐变为单峰曲线。峰值后曲线由平缓逐渐变为高陡，这说明试件破坏时的脆性增强，延性减弱，其中当β=90°时，试件峰值后曲线几乎呈垂直形式，说明其脆性破坏特征最为明显，这与前文中试件破坏模式的分析一致。

需要说明的是，对于β=45°的试件，其在峰值强度停留的时间较长，强度下降时较为缓和，残余强度明显高于其余试件。这是由于该类发生B型破坏的试件在加载过程中主要产生剪切裂纹，其裂纹扩展速率较慢，破坏贯通面上存在明显的颗粒体摩擦现象，剪切应力产生的剪切面在压应力作用下发生相对滑动时，颗粒体的摩擦起到增大阻力的作用，从而使得这类材料破坏时具有比较大的残余应力。而对于A型和C型破坏模式，裂纹主要沿最大主应力方向拓展，破坏面上几乎不存在颗粒摩擦，残余强度较低，故可知单轴压缩条件下颗粒摩擦是产生残余强度的主要原因。

（3）由图8可以看出，当裂隙倾角一定时，裂隙起伏角为0°时试件的压密阶段的形变量明显高于其余试件，这可以从裂隙起伏角对裂隙变形的影响来解释。当裂隙起伏角为0°时，试件产生轴向变形和沿裂隙倾角方向的变形，当裂隙中存在起伏时，起伏的裂隙在一定程度上抑制了裂隙细小形变，更容易发生整体破坏。

此外，起伏角的增加对试件抗压强度的影响并不大。从断裂力学的角度分析，这是因为起伏的裂隙分担了主裂隙倾角方向上的应力场。因此，不能主观地认为起伏角越大裂隙的抗压强度就越低。

3.3 裂隙试件单轴抗压强度分析

为了便于比较含裂隙试件峰值强度与完整试件峰值强度的关系，参照文献[20]，引入当量峰值强度参量，其大小为含裂隙试件单轴压缩峰值强度σ_JC与完整试件单轴压缩峰值强度σ_C的比值σ_JC/σ_C。通过对所有试件的峰值强度进行整理统计，得到了当量峰值强度与裂隙倾角和裂隙起伏角的关系，分别如图9和图10所示。不难发现，所有试件当量峰值强度均小于1，即含裂隙试件的峰值强度均低于完整试件峰值强度，这说明预制裂隙的存在对试件单轴压缩强度具有不同程度的削弱作用。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 当量峰值强度与裂隙倾角关系曲线

Fig. 9 Curve of relationship between equivalent peak strength and crack dip angle

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 当量峰值强度与裂隙起伏角关系曲线

Fig. 10 Curve of relationship between equivalent peak strength and crack fluctuation angle

图9为当量峰值强度与裂隙倾角的关系曲线。从图中可以发现，试件仅在起伏角α=15°时，当量峰值强度的最小值出现在倾角β=45°，约为0.57；试件当量峰值强度随裂隙倾角总体上呈先缓慢减小后迅速增大的趋势，且在β=30°时达到最小值。这说明裂隙倾角较小时，预制裂隙对试件峰值强度的削弱较为明显，而当裂隙倾角较大时，预制裂隙对试件的峰值强度的削弱作用随倾角的增加逐渐减小，且减小幅度很大。当β=90°时，试件的抗压强度接近于无裂隙体的抗压强度（约为无裂隙体抗压强度的80%~90%），预制裂隙对试件峰值强度的削弱最小，试件峰值强度最大。

图10为各试件当量峰值强度与裂隙起伏角的关系曲线。可以发现对于裂隙倾角不同的试件，起伏角的改变对其当量峰值强度的影响并不相同。由图可知，不管裂隙倾角多大，当量峰值强度随起伏角的变化均呈折线形，最大值与最小值相差0.1左右（倾角为45°和60°时，当量峰值强度随起伏角差值变化在0.2左右）。当裂隙倾角较小时，当量峰值强度普遍小于0.6，而裂隙倾角较大时，当量峰值强度在0.6~0.9之间，说明小倾角起伏裂隙类试件比大倾角试件更容易使岩石强度出现大幅度衰减。即裂隙倾角对岩石强度的影响比起伏角更大，这类情况应当引起岩体工程界的注意。

4 结论

（1）相比于裂隙起伏角，裂隙倾角对试件破坏模式的影响更大。当0°≤β≤30°时，试件主要产生A型拉伸破坏；当45°≤β≤60°时，试件产生以剪切裂纹为主的B型剪切破坏；当75°≤β≤90°时，试件主要产生C型拉剪复合破坏。

（2）随着裂隙倾角的增大，试件的延性减弱，脆性增强；剪切裂纹面的颗粒摩擦是产生残余强度的主要原因。裂隙的起伏在一定程度上分担了裂隙主倾角上的应力，对试件的形变及抗压强度有一定的影响。

（3）裂隙倾角与裂隙起伏角对试件强度均具有一定的影响。试件当量峰值强度随裂隙倾角的增加先减小后增加，试件当量峰值强度一般在β=30°时最小；小倾角起伏裂隙类试件比大倾角试件更容易使岩石强度出现大幅度衰减，裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王进，宫凤强 .

红砂岩单轴压缩试验的率效应研究

[J].黄金科学技术，2018，26（1）：56-63.