为了研究裂隙岩体的力学行为和裂纹演化规律，国内外学者进行了大量的研究，取得了一些重要的研究成果。王奇智等[3]通过对预制不同角度单裂隙的样品材料进行压缩破坏研究，得到裂纹角度变化对材料强度有一定的影响，且样品破坏形式主要为X型拉剪破坏。谢璨等[4]通过对不同倾角单裂隙砂岩的相似试件进行单轴压缩试验，分析了裂隙岩石的相关力学机制，发现岩石的损伤破坏受裂隙倾角的影响，在一定范围内，倾角越小则峰值强度越小。马鹏飞等[5]通过数值模拟不同角度单裂隙在单轴压缩条件下的裂纹扩展，得到了裂纹角度与岩石材料的破裂起裂角呈先增大后减小的规律。然而，岩体的失稳与破坏往往受其内部数条裂隙的共同影响，因此，一些学者对含多裂隙的岩石进行了一系列的研究。李铮等[6]运用不同的模拟方式，研究了含单裂隙、平行裂隙脆性岩石材料的裂纹扩展方式及其破坏形式。李银平等[7]开展了预制单裂隙、平行裂隙搭接大理岩试块在单轴压缩作用下的裂纹扩展试验，得到了预制裂纹倾角对含不同裂隙的扩展均有很大影响，预制裂纹的角度与裂纹尖端产生的裂纹类型有很大关系。陈新等[8]对多裂隙石膏试件进行单轴压缩试验，研究了多裂隙不同倾角下应力—应变关系曲线，并分析多裂隙倾角对岩体强度和变形特性的影响。Wong等[9,10,11]研究了单条裂缝和多条裂缝在单轴压缩试验下，裂纹的扩展模式及裂纹的条数、角度、距离、贯通程度对裂纹发展的影响。Bobet[12]研究了翼形裂纹与次生裂纹之间的差异，发现预制裂纹的位置与裂纹起裂后预测其发展情况有关。Dyskin等[13,14]和Lee等[15]通过单轴压缩试验研究了岩体含单裂隙与双裂隙时的裂隙扩展模式，发现试块破裂模式与裂纹排列方式有关。
以上学者对含单裂隙、多裂隙岩石材料的力学行为及裂纹扩展特征进行了大量研究，其研究成果对指导工程实践具有不可替代的作用。但针对交叉裂隙岩体的力学行为、裂纹演化规律及其致灾机理的研究成果较少，而实际工程中裂隙叠加交叉的情况普遍存在。因此，有必要探索不同裂隙长度与裂隙倾角对十字交叉裂隙岩体的裂纹演化规律的影响及其致灾机理。为此，采用相似模拟材料制作含十字交叉裂隙的类岩石，分析其在单轴压缩条件下的力学行为，探索含有不同裂隙长度和倾角的十字交叉裂隙的力学特征、裂纹演化规律等，分析其破裂致灾机理，为预测和控制岩体工程事故提供理论指导。
1 试验概况
1.1 试验材料
由于现场取样和室内加工难以得到理想的含裂隙的岩样，一般采用物理相似模拟的方法制作含裂隙的岩样[16]。因而本试验的岩样基于相似理论[16]采用标号为425的白水泥、硅质细砂和水按一定比例混合制作而成，其质量比为M水∶M普通水泥∶M细砂=2∶5∶5。岩样的制作步骤为：浇筑试块前在模具中间插入相对应长度的薄钢片，并涂抹润滑油，以便于脱模[17,18]，浇筑3 h后，待试块初步成型时拔出钢片，如图1所示，待完全成型脱模后，放入标准养护箱养护28 d。为了提高试验结果的可靠性和精确性，细砂由孔径为1.25 mm的筛子筛分得到，使用前用清水将细砂中的泥土洗干净，消除土粒的影响。在制作含裂隙岩样时，白水泥、细砂均为同一批次，且在试验过程中剔除不合格岩样。为了便于分析和区分裂隙长度，以十字交叉裂隙岩样中沿水平方向的裂隙为主裂隙（长度为L1），垂直主裂隙方向的裂隙为次裂隙（长度为L2），如图1所示。为了分析裂隙长度和裂隙倾角对裂隙岩体的裂纹演化规律和破裂特征的影响，设计主、次裂隙长度（L1×L2，单位：mm×mm）分别为30×30、30×20、30×10、20×30、20×20、20×10、10×30、10×20、10×10，设计裂隙倾角分别为0°、30°、45°和60°，共36种岩样试验方案（表1）和1种完整的试验岩样作为对照组，每种试验方案的岩样为3个，共111个试验岩样。根据相关文献资料[17-18]，试验岩样的尺寸（长×宽×高）根据试验具体情况制作为150 mm×200 mm×45 mm，每种试验同一状态下的试样数量为3个，试样总量预计为111块。主、次裂隙长度（L1×L2，单位：mm×mm）依次为 30×30、30×20、30×10、20×30、20×20、20×10、10×30、10×20、10×10，并单独做一组空白对照组S组，同时将相同长度的含裂隙试样变换倾角，裂隙倾角分别设置为0°、30°、45°和60°，如表1所示。
图1
表1 试块参数和试验方案
Table 1
| 编号 | 主、次裂隙长度（L1×L2）/（mm×mm） | 十字裂隙角度/（°） | 编号 | 主、次裂隙长度（L1×L2）/（mm×mm） | 十字裂隙角度/（°） | 编号 | 主、次裂隙长度（L1×L2）/（mm×mm） | 十字裂隙角度/（°） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A11 | 10×10 | 0 | A21 | 20×10 | 0 | A31 | 30×10 | 0 |
| B11 | 10×10 | 30 | B21 | 20×10 | 30 | B31 | 30×10 | 30 |
| C11 | 10×10 | 45 | C21 | 20×10 | 45 | C31 | 30×10 | 45 |
| D11 | 10×10 | 60 | D21 | 20×10 | 60 | D31 | 30×10 | 60 |
| A12 | 10×20 | 0 | A22 | 20×20 | 0 | A32 | 30×20 | 0 |
| B12 | 10×20 | 30 | B22 | 20×20 | 30 | B32 | 30×20 | 30 |
| C12 | 10×20 | 45 | C22 | 20×20 | 45 | C32 | 30×20 | 45 |
| D12 | 10×20 | 60 | D22 | 20×20 | 60 | D32 | 30×20 | 60 |
| A13 | 10×30 | 0 | A23 | 20×30 | 0 | A33 | 30×30 | 0 |
| B13 | 10×30 | 30 | B23 | 20×30 | 30 | B33 | 30×30 | 30 |
| C13 | 10×30 | 45 | C23 | 20×30 | 45 | C33 | 30×30 | 45 |
| D13 | 10×30 | 60 | D23 | 20×30 | 60 | D33 | 30×30 | 60 |
1.2 试验设备及试验方法
图 2
在进行单轴压缩岩石力学试验时，分别采用位移控制和荷载控制2种方式，位移控制的加载速率为0.01 mm/s，荷载控制的加载速率为0.2 kN/s，并采用高速摄像机拍摄记录岩样裂纹演化过程和破裂过程。
2 试验结果分析
2.1 裂隙长度对峰值强度的影响
图3
图3
不同裂隙长度与峰值应力关系曲线
Fig.3
Relation curve between different fracture length and peak stress
2.2 裂隙倾角对峰值强度的影响
图4
图4
不同裂隙倾角与峰值应力关系曲线
Fig.4
Relation curve between different inclination angles and peak stress
完整试块和含裂隙试块的应力—应变曲线如图5所示，完整试块的峰值抗压强度为33.12 MPa，明显高于含裂隙试块的抗压强度，当裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时，峰值强度依次降低。主裂隙长度为20 mm和30 mm时，峰值强度变化规律不同。
图5
图5
完整试块与含长度为10 mm×30 mm裂隙试块的应力—应变曲线
Fig.5
Stress-strain curve of the complete test block and the crack length is 10 mm× 30 mm
图4（b）为当主裂隙长度为20 mm时裂隙倾角与峰值应力关系曲线图。由图可知，峰值强度随裂隙倾角的增加呈现先减少后增加再减少的变化趋势，总体变化趋势为下降—上升—下降。当裂隙倾角为0°~30°时，峰值强度降低缓慢，且下降幅度较小；当裂隙倾角为30°~45°时，峰值强度急剧增大并达到最大值；当裂隙倾角为45°~60°时，峰值强度急剧减小而重新回落。其中，当裂隙倾角为30°和60°时，峰值强度呈现明显的上下波动。随着次裂隙长度增加，当主、次裂隙长度分别为20 mm和30 mm时，次裂隙长度已经超过了主裂隙，裂隙扩展均从较长的一条裂隙尖端发生破裂，此时较长的一条裂隙与轴向应力之间的夹角分别为30°和60°，造成这种现象的原因可能是在不同倾角下主次裂隙由于长度变化发挥作用，使试块内部的应力场发生改变，导致峰值强度呈现这种变化趋势。当裂隙倾角为45°时，交叉裂隙的主裂隙和次裂隙均与轴向应力方向呈45°角，此时主、次裂隙倾角相同，抗压强度仅由主、次裂隙的长度决定，图4（b）结果表明，抗压强度因次裂隙长度的增加而依次降低。
图4（c）为当主裂隙长度为30 mm时裂隙倾角与峰值应力关系曲线图。此时峰值强度随裂隙倾角的增加呈现先增加后减少再增加的变化趋势，总体变化趋势为上升—下降—上升。当裂隙倾角为0°~30°时峰值强度升高，而裂隙倾角为45°时峰值强度降低到最低点，裂隙倾角为60°时又再次升高。此时峰值强度随倾角的变化趋势与主裂隙长度为20 mm时呈现出的变化规律相反。认为由于次裂隙长度小于主裂隙长度，主裂隙长度的增加改变了试块的应力场，在同一水平参考系下，主裂隙长度与裂隙倾角对峰值应力起劣化作用。
2.3 裂纹扩展特征
图 6
图 6
完整试块与含裂隙类岩体破裂特征
Fig.6
Fracture characteristics of complete test block and fractured rock mass
当预制裂隙倾角为0°时，如图6（b）所示，裂纹首先在预制水平裂隙的尖端附近萌生，逐渐沿轴向最大主应力方向向上下两端扩展，产生2条翼形裂纹，属拉伸型裂纹。随着轴向应力不断增加，边缘薄弱处产生次生裂纹，并伴随一些裂纹的萌生与岩体表面的剥落，最终导致试样整体破坏。当预制裂隙倾角为30°时，如图6（c）所示，裂纹首先从较长的一条裂纹尖端萌生，裂纹2a沿轴向应力方向扩展，属于翼形裂纹。裂纹2b起裂位置与预制裂隙共面，为次生共面裂纹，属于剪切裂纹，次生共面裂纹继续扩展，出现表面薄片碎屑剥落。当预制裂隙倾角为45°时，如图6（d）所示，裂纹3a起裂角与轴向应力方向相同，为翼形裂纹。裂纹3b表面粗糙，起裂角与预制裂隙共面，且试块破裂后，预制裂隙发生明显的切向运动，为次生共面裂纹。当预制裂隙倾角为60°时，如图6（e）所示，裂纹4a、4b、4c均沿轴向应力方向扩展，为翼形裂纹。
由上述分析可知：随着裂隙倾角的增加，不同裂隙分布的试样产生了不同类型的裂纹扩展模式，且应力集中区域也随之发生变化，其中，裂隙倾角为0°和60°所产生的裂纹类型为拉伸裂纹，裂隙倾角为30°和45°产生的裂纹剪切特征明显，内部存在着较大的剪切应力。除了裂隙倾角为0°的情况外，裂隙倾角为30°、45°和60°时裂纹的起裂位置均位于预制裂隙中较长的裂隙尖端。
3 讨论
通过对含预制裂隙类岩石试样单轴压缩作用下的力学行为和裂纹演化规律及破裂特征进行试验研究，得到了裂隙长度和倾角对峰值强度的影响规律。相对于完整试块，改变裂隙长度和裂隙倾角，试样的峰值强度均呈现不同程度的劣化：裂隙长度越长，峰值强度的劣化程度越大；当裂隙倾角与轴向应力之间的夹角逐渐缩小时，主裂隙长度的改变导致峰值强度表现出不同的变化规律，主要原因是主、次裂隙的不同长度使相同裂隙倾角试样的应力场发生了改变。图7为在应力控制和位移控制2种加载方式下含预制裂隙类岩石试样的应力—应变曲线。
图7
图7
不同加载方式下应力—应变关系曲线
Fig. 7
Stress-strain relation curves under different loading modes
由图可知，在达到峰值应力前，2种加载方式下试样的应力—应变关系曲线的变化规律基本相似，由此推断，试样在不同加载方式下的微裂纹扩展具有相同的发展过程。但在达到应力峰值后，2种加载方式下试样的应力—应变关系曲线出现了不同的变化规律。
采用应力控制和应变控制得到的试验结果大致相同，但位移控制与荷载控制的应力—应变关系曲线存在较明显的差异，这种差异是由岩石材料在加载过程中各个阶段（压密、弹性、屈服、破坏阶段）受不同方式控制导致的。因此，在工程等级较高或对于岩体的应力—应变有检测要求的工程中，需对2种加载方式下产生的不同应力—应变变化趋势给予着重关注。
4 结论
(1) 裂隙倾角一定时，抗压强度受裂隙长度的影响而发生变化，裂隙越长，则抗压强度越低。主裂隙长度由10 mm加大至30 mm，峰值强度在4种倾角下产生不同的变化规律：当主裂隙长度为10 mm时，峰值强度逐渐降低；当主裂隙长度为20 mm时，峰值强度先降低后增加，最后再降低；当主裂隙长度为30 mm时，峰值强度的变化趋势与主裂隙长度为20 mm时恰好相反。
(2) 试块产生的裂纹类型和破坏状态与裂隙倾角密切相关，完整试块的破坏形式为标准的X状共轭斜面剪切破坏状态，裂隙倾角为0°与60°的试样均产生翼形裂纹破坏状态，裂隙倾角为30°和45°的试样不仅产生翼形裂纹破坏，还有次生共面裂纹破坏。
(3) 含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块。位移控制下的单轴峰值应力比荷载控制下的峰值应力降低约9.15%，且由于加载方式的不同，试样在峰值强度后的应力—应变关系曲线具有显著差异：荷载控制下试样的应力—应变关系曲线在峰值应力后急剧降低，而位移控制下试样的应力—应变关系曲线在峰值应力后缓慢降低。
(4) 在岩土工程中，由于岩体受到隧洞开挖、爆破和大型施工机械作业产生的反复荷载的作用，往往会发生裂纹的萌生和扩展而导致岩体疲劳损伤，因而有必要对含裂隙岩体疲劳力学行为进行进一步研究。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-3-421.shtml
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