摘要：对预制单裂隙水泥砂浆试件进行单轴加载试验，研究单裂隙角度及厚度对材料力学性质的影响规律。试验结果表明，与完整试样对比裂隙的存在会明显减弱试样的强度，且减弱幅度与裂隙分布形式和厚度有密切关系。随着裂隙角度的增大，试件强度先减小后增大。裂隙厚度会影响试件的强度，裂隙角度相同时，闭合裂隙试件强度高于非闭合裂隙。
关键词：单裂隙类岩石材料；单轴压缩；断裂力学；复合断裂准则
１引言
由于复杂地质环境作用下，岩石材料内部或边界上往往会形成宏观裂隙缺陷，这些缺陷的存在打破了岩体的完整性，直接影响了岩石的力学性质和应力场分布，同时裂纹尖端往往会产生应力奇异，从而影响岩体的破坏模式。由于在岩石材料中预制裂隙比较困难，因此实际试验中，岩石材料常常被做成薄的平板状试样，裂隙采用切割的形式预制并进行压缩试验研究，或者采用理论分析和数值计算相结合的方法对岩石材料中裂隙断裂扩展进行研究。本文对含单裂隙类岩石材料试件进行了单轴压缩试验和数值分析研究，分析了不同裂纹几何分布及裂纹几何特征下的类岩石试件裂隙扩展演化、应力应变特征。
2 类岩石裂纹压剪断裂试验分析
2.1试件制备
为了模拟裂隙岩体内裂纹的脆性断裂，试验采用岩石相似材料来制作类岩石模型。相似材料由水泥、石膏、石英砂、水、减水剂、防水剂按照一定的配合比混合而成，按比例配置的砂浆具有很好的流动性、保水性和黏聚性。
本文采用薄片抽条法在类岩石试件中预制裂纹。压剪试样制作成带中心穿透裂纹的长方体 ，裂纹倾角分别为5°、30°、45°、60°和75°，裂纹厚度为0.5mm和2mm，模型见图2（a）。制作时，在模具中预埋薄钢片，厚度分别为0.5mm，2mm，将配制好的岩石相似材料倒入模具中，振动密实，并在室温下养护12小时左右，拔出钢片，拆除模具。检查拆模后试件的平整度和裂纹贯穿性，舍去不平整、裂纹未贯穿的试样，并将合格的试样放入水中，常温下继续养护28d。
2.2 类岩石裂纹压剪断裂试验
本文首先对含单裂隙类岩石脆性试件进行单轴压缩试验，以分析不同厚度和角度的单裂隙类岩石试件的起裂模式及力学机理，每种工况试验试件数量为3个。
本次试验在WHY微机控制压力试验机上进行，该设备具有轴向刚度大、测试精度高、性能稳定可靠的特点，并能通过力和位移两种控制加载方式。本试验采用力控制模式，加载速度为1kN/s，在试验过程中，用高清摄像机记录试样裂纹的扩展情况。
2.3 实验结果分析
含单裂隙类岩石试件单轴压缩过程可分为四个阶段，第一阶段为非线性的压密段，主要为试件内部微裂隙的压密阶段，应变量较小，荷载增加不明显，曲线较平缓；第二阶段是材料线弹性变形阶段，该阶段裂隙无明显扩展，曲线近似线性增长；第三阶段为裂纹稳定的扩展阶段，曲线斜率逐渐减小，翼形裂纹随着荷载的增加逐渐加速扩展，曲线斜率接近于零时，该阶段结束，翼形裂纹周边时常出现次生裂纹；第四阶段为裂纹的非稳定扩展阶段，试件达到极限荷载失稳，翼形裂纹迅速扩展，直至延伸至试件表面，曲线突然下降，伴随着一声闷响，表现出准脆性破坏的特点。
单轴受压情况下含不同角度及不同厚度的单裂隙试件，其应力—应变曲线及峰值强度有明显的差异，说明裂隙角度和厚度对含裂隙节理岩体的力学性能有显著的影响。随着裂隙角度的增大，含单裂隙节理岩体的试件的强度先减小后增大，并在β=45°时具有最低强度；裂隙角度相同时，闭合裂隙节理岩体试件的强度高于非闭合裂隙节理岩体试件。对于工况1~5对应的闭合裂隙，裂隙在低角度的破裂角度较小，如裂隙角度β=15°时，破裂角分别为3°、4°，裂隙角度大于15°时，破裂角度较为接近，这与最大周向应力理论得到的破裂角70.5°较为接近。对于工况7~13对应的非闭合裂纹，裂隙破裂角度先增大后减小再逐渐增大，如在β=15°、45°时的破裂角度较小。
3 闭合裂隙节理岩体试件的破坏机制
当裂隙角度较小时，裂隙以小角度扩展，当裂隙角度大于15°时，裂隙扩展以大角度扩展。最大周向应力理论是解释脆性材料压剪破坏最有效的理论之一，Erdogan和Sih用树脂玻璃板进行了Ⅰ-Ⅱ型复合裂隙的断裂试验，证明裂隙的扩展方向非常接近裂隙尖端的最大周向拉应力所在方向。最大周向应力理论认为裂隙的初始扩展方向是尖端最大周向拉应力达到最大值的方向，以及只要这个方向上的Ⅰ型应力强度因子达到临界值时裂隙将开始扩展。
Ⅰ-Ⅱ型复合裂隙尖端的周向拉应力大小为：
工况1~5，随着闭合裂纹角度的增加，裂纹尖端的最大周向应力值先增大后减小再增大，在β=45°时，裂纹尖端具有最大周向拉应力值，这也与试件强度变化情况相吻合，而最大径向剪应力值先增大后减小，但均小于对应工况下的最大周向拉应力值。
当裂纹角度较小时，断裂扩展角度较小，而并不是最大周向应力理论得到的70.5°，这是由于试件受压时，材料向四周扩展，可解释为垂直于荷载方向的扩张力促使材料向周边运动，最终在试件内部形成沿荷载方向的竖向裂隙，小角度裂隙近于竖直，扩张力对其尖端应力场较大，竖直裂隙最先沿着其尖端开始扩展，此时不能采用式（1）计算周向应力。
4 非闭合裂隙节理岩体试件破坏机制
随着非闭合裂隙角度的增大，裂隙破裂角度先增大后减小再增大，当裂隙角度大于30°后，非闭合裂隙破裂角与闭合裂隙破裂角出现了明显的差异，对此我们通过数值分析，给出了各工况下非闭合裂隙尖端最大周向拉应力、径向剪应力及所在位置的变化情况。
裂纹尖端的最大周向拉应力在逐渐的减小，而最大径向剪应力在先增大后减小；工况7、8裂纹尖端最大周向拉应力都大于对应的最大径向剪应力，此时最大周向拉应力的位置与试验断裂角结果相近，而工况9~11的最大周向拉应力小于对应的最大径向剪应力，试验断裂角结果均与最大径向应力的位置相近。
这是由于非闭合裂隙存在Ⅰ型应力强度因子，并且在裂隙处于压缩状态时，取为负值，从式（1）可以看出，当 时，Ⅰ型应力强度因子在裂纹尖端整个区域内产生周向压应力，这必将对Ⅱ型应力强度因子的周向拉应力场起到抑制作用，在一定条件满足时，裂纹尖端的最大周向拉应力将小于径向剪应力，裂纹也将沿着最大径向剪应力的方向发生扩展。因此，最大周向应力理论在解释压缩条件下的非闭合裂隙断裂扩展时存在一定的局限性。
5 结论
（1）含单裂隙脆性岩体试件的单轴压缩过程分为四个阶段，即：非线性压密阶段、线弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙非稳定扩展阶段。
（2）单裂隙岩体试件内部裂隙的分布角度和厚度均会对试件的力学性能产生影响，裂隙的存在会削减试件的强度。随着裂隙角度的增大，试件强度先减小后增大；裂隙角度相同条件下闭合裂隙试件的强度高于非闭合裂隙的强度。
（3）裂隙的厚度对裂隙断裂角度的影响显著。当预制裂隙与加载方向的角度较大时，闭合裂隙试件的裂隙断裂角度与裂隙尖端最大周向应力的位置保持一致，符合最大周向应力理论得到的结果；而非闭合裂隙试件，随着裂隙角度的增大，裂隙断裂角度开始逐渐的偏离最大周向应力的方向，偏向最大径向应力的方向。而当预制裂隙与加载方向的角度较小时，则会沿着加载方向扩展。
论文作者:杨龙喜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/15
标签：裂隙论文; 应力论文; 裂纹论文; 角度论文; 岩石论文; 强度论文; 工况论文; 《基层建设》2018年第20期论文;