邓东平：断续裂隙岩体模型试验的研究进展 １１３ ·冻土与地基基础· ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ａｗｊｚ．２０１６．０２．０３８ 断续裂隙岩体模型试验的研究进展 邓东平 （华北水利水电大学。郑州４５００１１） 【摘要】对断续裂隙岩体的破坏过程与机理进行了综述，包括含单条预制裂隙岩体、含双条预制裂隙岩体 以及含三条预制裂隙岩体试样的裂隙在受外力作用下的贯通过程及岩体整体破坏过程的研究。 【关键词】裂隙岩体；模型试验；裂隙 【中图分类号】ＴＵ４５７ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００１—６８６４（２０１６）０２—０１１３一ｏ３ ０ 引言 符合破坏等三种破坏形式，并且得出了不同破坏形式 在水利水电、交通运输、矿物开采等工程中的边 下裂隙岩体计算抗剪切强度的表达式。随后Ｌａｊｔａｉ 坡、隧道项目中经常会碰到裂隙岩体，尤其是断续裂 主要探究了裂隙岩体受压过程中的脆性破坏形式，研 隙岩体。而断续裂隙岩体中的裂隙是岩体结构稳定 究结果显示，单轴压缩受力作用中的岩石类脆性材主 问题里的薄弱面，对岩体的强度和变形有着很大的影 要出现两类裂纹，张拉裂纹与剪切裂纹。张拉裂纹开 响。所以，裂隙岩体中的裂隙扩展模式对于工程的安 始于预制裂纹的尖部并向着最大压应力所在的方向 全和稳定显得非常必要…。 扩展，剪切裂纹也产生于预制裂纹的尖部，其有两个 而定量地研究岩体的力学性质，主要采用现场的 扩展方向：一个是平行于预制裂纹的方向，另一个是 大型原位测试来实现，这往往是周期长，耗资巨大的 垂直于预制裂纹并与张拉裂纹方向相反，见图１。李 工作。为了解决这一问题，采用室内现有的测试方法 银平等 通过对含预制裂纹的大理岩进行压剪试验 来模拟岩体的结构特性和赋存条件，以及岩体在工程 研究得到预制裂纹可以引起裂纹尖端应力集中，从而 中的受力情况，以还原岩体的真实变形破坏过程。这 导致张拉裂纹产生和扩展从而引起试样的破坏。 种物理模型试验方法是研究裂隙岩体的一种经济有 Ｗｏｎｇ等 通过用两种材料（大理石和石膏）来预制单 效的方法。本文就断续裂隙岩体的模型试验研究成 裂隙试样，对比了两种材料在单轴受压下裂隙的扩展 果进行论述。 形式并统计了类型，见图２。Ｙａｎｇ等 探讨了断续单 １ 断续裂隙岩体模型试验研究 个裂隙的脆性砂岩的力学性质，分析了裂隙的长度与 针对裂隙岩体破坏过程的模型试验研究可以追 倾角对脆性砂岩强度与变形特性以及裂隙扩展机制 溯到２０世纪６０年代，从那以后，国内外许多专家和学 的影响。Ｚｈｕａｎｇ等 在类岩类相似材料试样上制作 者对裂隙岩体在单轴、双轴和直剪试验条件下的破坏 裂隙，并对比了用石膏填充裂隙和不填充裂隙在单轴 模式进行了大量的模型试验，并取得了很多有深度有 受压下的破裂机理。然而，这类模型试验所采用的岩 价值的研究成果。 体试样仅含有一条预制裂纹，这和工程中的大多数情 １．１含单条裂纹岩体 况并不相符。 Ｂｒａｃｅ和Ｂｏｍｂｏｌａｋｉｓ ，Ｈｅｏｋ和Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ＿３ 等分 别对单轴和双轴试验条件下含一条裂纹的平板玻璃 试样的裂隙贯通特性进行了分析，并采用Ｇｒｉｆｉｆｔｈ断裂 力学的理论初步解释了试样中裂纹的起始和扩展。 Ｇｒｉｆｉｔｈ断裂力学理论可以给予单条裂纹岩体在单、双 轴应力下起裂的产生与结束以比较合理的解释，然而 并不能给出关于裂纹的反战方向和最后破裂面的合 理解释。 图１ 裂隙扩展方式 Ｌａｊｔａｉ Ｅ Ｚ 对直剪条件下裂隙岩体的破坏形式 １．２含双条裂纹岩体 采用试验测试及理论推导的方式，结果显示：随着法 为了进一步研究岩体裂隙的贯通形式，１９９１年 向荷载大小的变化，岩块有拉破坏、剪破坏以及拉剪 Ｒｅｙｅｓ和Ｅｉｎｓｔｅｉｎ 给出单轴压缩条件下含两条预制 ［基金项目］ 国家自然科学基金资助项目（５１３０９１００） １１４ 低温建筑技术 ２０１６年第２期（总第２１２期） 张拉裂隙 剪切裂隙 【｜）张拉裂晾类型ｌ 张拉裂球类型２ 【ｃ】张拉裂隙类型３ 拉剪复合型裂晾 （ｅ）剪切裂睬类型ｌ ∞剪切裂晾类型２ ∞剪切裂隙类型３ 图２单裂隙扩展类型 裂隙岩体的破坏形式，结果显示，两条裂纹根据空间 构成的差别（按照裂纹在轴向应力方向的投影能否重 合）基本分成叠合、非叠合两种类型，对应岩体也有两 类不同的破坏模式：①叠合裂纹的试样由张拉裂纹贯 通而破坏；②非叠合裂纹的试样由剪切裂纹贯通而破 坏。此外结果显示叠合裂纹试样裂纹贯通所需的荷 载小于非叠合的裂纹试样。然而由于上述整个试验 过程预制裂纹一直是张开状态，因此该结论只能够确 定在原生裂纹宽度较大的时候有效，而对于初期加载 即闭合的试样破坏形式则不适用该研究结果。那么 关于加载初期裂纹即闭合的试样，Ｓｈｅｎ 补充了大 批模型试验进行测试，结果显示：预制裂纹是否闭合 不影响试样的整体破坏形式，但会造成裂纹贯通时所 需荷载大小和起始裂纹方向的不同。 Ｂｏｂｅｔ和Ｅｉｎｓｔｅｉｎ 的研究成果是有两条预制裂 纹的模型试验中最具代表性的。他们探讨了不同围 压下含两条几何位置不同裂纹的裂隙岩体试样的破 坏形式，研究结果显示：含有两个裂纹的裂隙岩体试 样其破坏模式和两个裂纹的位置构成、所受围压有着 十分紧密的联系。伴随围压的增大，形成张拉裂纹的 位置从预制裂隙的端部向中间转移，而当围压增大到 ．一定程度则不再出现张拉裂纹。 而张波、李术才等¨ 人对含有交叉双裂纹的岩体 试样进行模型试验发现：主裂隙与加载方向平行或垂 直时，试样通常沿着次裂纹产生剪切破坏；而当主裂 隙与加载方向斜交时，试样通常沿着主裂隙拓展的方 向产生剪切破坏。并且主裂隙与次裂隙成３０。或者 ９０。时，试样强度较高。 张平、李宁等¨ 展开了动荷载作用下有两条预制 裂隙的岩体试样破坏方式的试验研究，并比照含两个 预制裂隙岩体试样施加静荷载和动荷载时的裂纹延 伸与贯通破坏形式。结果显示，在动荷载作用下，次 生的共面裂纹扩展长度比静荷载下的扩展长度增大， 并且预制裂纹的尖端也更容易因为应力集中而形成 迅速贯通。以上试验结果对于地震、爆破等动荷载作 用下的岩体的稳定性研究提供了一定的理论指导。 图３是张平等人还归纳总结了含两个裂纹的岩体贯通 破坏模式。 （Ｉ） （Ⅱ） （Ⅲ） （１Ｖ）（Ｖ） （ＶＩ） ＝９［ 。（Ⅶ） （Ⅷ） （ＩＸ） （Ｘ） （ＸＩ） 图３双裂隙扩展类型 １．３含三条裂纹岩体 Ｓａｇｏｎｇ Ｍ、Ｂｏｂｅｔ Ａ等 借鉴前人对含两条裂纹岩 体试样的研究成果，采用石膏材料对三条预制裂纹的 岩体试样的变形及贯通形式展开比较全面的试验，研 究发现，单轴试验条件三条裂纹试样的破坏多由其中 某两条预制裂纹的贯通导致，换句话说，有多种可能 贯通路径的裂隙岩体试样在受压过程中总是会自动 寻找最容易构成贯通破裂面的两条裂纹，并与仅含此 两条预制裂纹的岩体样的破坏形式相同。车法星、黎 立云等 制备了裂纹构成角度不同的水泥试样，分别 开展了单轴与双轴试验，所得成果显示，裂纹的夹角 显著影响试样的强度。黄凯珠、林鹏等 选取类砂岩 试样，对比围压变化和裂纹空间位置变化时，预制裂 纹贯通过程的不同，试验结果显示，围压作用下： （１） 裂纹有以下四种贯通形式，分别是拉贯通、 压贯通、剪贯通和混合贯通，如图４所示。 （２） 此时峰值附近出现两条贯通裂纹，对比单 轴受理情况下，贯通裂纹仅有一条。 （３） 随着围压的增大，预置裂纹逐渐闭合，而预 置裂纹的内摩擦力增加，从而裂纹的扩展方向改变并 朝着于最大主剪应力的方向发展。 杨圣奇 进一步的对比了砂岩原样和断续三裂 隙砂岩试样的裂纹扩展特征以及强度大小，并给出了 三裂隙砂岩的裂隙扩展规律。这些试验中的应力环 境与真实情况更为近似，因而所得岩体破坏模式也更 能够反映实际工程岩体的情况。 而关于动荷载下含三条裂纹的裂隙岩体试样的 邓东平：断续裂隙岩体模型试验的研究进展 １１５ 广一一Ｔ一一Ｔ一一Ｔ一一］ 、． ＝鋈 纹 ～翼裂纹 毒加载方向 Ｖ （ａ）拉贯通（ｂ）剪贯通（ｃ）混合贯通（ｄ）压贯通 图４三裂隙扩展类型 破坏形式，张平、李宁等 叫给出了一些研究成果：几何 构成不同的裂隙岩体贯通形式差别很大，并且会影响 对动荷载的响应。动荷载作用下，分支裂纹的扩展和 贯通情况具有惯性，也就是说动荷载作用下裂隙尖端 的裂纹更多地顺着原来的起始裂纹方向速度拓展。 而动荷载作用下，两个预制裂纹中间更容易产生贯通。 ２ 结语 裂隙岩体的裂纹贯通和破坏模式受到许多因素 的影响，目前对单个因素影响的研究比较深入，而对 多因素的交叉作用则研究很少，这将是今后研究工作 的重点。 就目前的理论成果，采用预制裂纹的模型试验方 法来研究裂隙岩体在动、静荷载下的强度与破坏模 式，能够比较真实地反映裂隙岩体的力学性质。今后 还需要从微细观方面来对岩体的破坏机理进行研究， 从而达到更深入准确地揭示断续裂隙岩体破坏机理 的目的。 参考文献 张晓平，王思敬，韩庚友，等．岩石单轴压缩条件下裂纹扩展 试验研究——以片状岩石为例［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２０１１，３０（９）：１７７２—１７８１． ［２］ ＢＲＡＣＥ Ｗ Ｆ，ＢＯＭＢＯＬＡＫＩＳ Ｅ Ｇ．Ａ ｎｏｔｅ ｏｎ ｂｒｉｔｔｌｅ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１９６３，６８（Ｂ１２）：３７０９— ３７１３． ［３］ ＨＯＥＫ Ｅ，ＢＩＥＮＩＡＷＳＫＩ Ｚ Ｔ．Ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｍｐ￣ａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ．．１９６５． （１）：１３７—１５５． ［４］ Ｌ ＡＩ Ｅ Ｚ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ［Ｊ］． Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９６９，１９（２）：２１８—２３３． ［５］ ＬＡＪｒｒＡＩ Ｅ Ｚ．Ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ，１９７４，１０（４）：５２５—５３６． ［６］ 李银平，王元汉，陈龙珠，等．含预制裂纹大理岩的压剪试验 分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００４，（１）：１２０—１２４． ［７］ Ｗｏｎｇ Ｌ Ｎ Ｙ．Ｅｉｎｓｔｅｉｎ Ｈ Ｈ．Ｃｒａｃｋ ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎ ｍｏｌｄｅｄ ｇｙｐｓｕｍ ａｎｄ Ｃａｒｒａｒａ ｍａｒｂｌｅ—Ｐａｒｔ Ｉ：Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒ— ｐｒｅｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，４２ （３）：４７５—５１１． ［８］ＹＡＮＧ Ｓ Ｑ，ＪＩＮＧ Ｈ Ｗ．Ｓｔｅｒｎｇｔｈ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｂｒｉｔｔｌｅ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉｌａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｅｒ， ２０１１，１６８（２）：２２７—２５０． ［９］Ｚｈｕａｎｇ Ｘ，Ｃｈｕｎ Ｊ，Ｚｈｕ Ｈ．Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｕｎｆｉｌｌｅｄ ａｎｄ ｉｆｌｌｅｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｏｃｋ—ｌｉｋｅ ｂｒｉｔｔｌｅ ｍａｔｅｒｉｌａ［Ｊ］．Ｔｈｅｏ— ｒｅｔｉｅａｌ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１４，７２：１ １０—１２０． 『１Ｏ］ＲＥＹＥＳ Ｏ，ＥＩＮＳＴＥＩＮ Ｈ Ｈ．Ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｏｒｃｋ．Ａ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ７ｔｈ Ｉｎｔｅｒ－ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ａａｃｈｅｎ，１９９１： ３３３—３４０． ［１１］ＳＨＥＮ Ｂ，ＳＴＥＰＨＡＮＳＳＯＮ Ｏ，ＥＩＮＳＴＥＩＮ Ｈ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｃｏａｌｅｓ— ｃｅｎｃｅ ｏｆ ｒｆａｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｇｅｏ— ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１９９５，１００（Ｂ４）：５９７５—５９９０． 『１２］ＳＨＥＮ Ｂ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｆａｃｔｕｒｅ ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ —Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｇ．Ｆｒａｃｔ． Ｍｅｃｈ．，１９９５，５１（１）：７３—８５． ［１３］ＢＯＢＥＴ Ａ，ＥＩＮＳＴＥＩＮ Ｈ Ｈ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎ ｒｏｃｋ—ｔｙｐｅ ｍａｔｅｒｉｌａｓ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉｌａ ａｎｄ ｂｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９８，３５（７）： ８６３—８８８． ［１４］张波，李术才，杨学英，等．含交叉裂隙岩体相似材料试件力 学性能单轴压缩试验［Ｊ］．岩土力学，２０１２，（１２）：１６０—１６５． ［１５］张平，李宁，贺若兰，等．动载下两条断续预制裂隙贯通机制 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（６）：１２１０—１２１７． ［１６］ＳＡＧＯＮＧ Ｍ，ＢＯＢＥＴ Ａ．Ｃｏｌａｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｆａｗｓ ｉｎ ａ ｒｃｏｋ —ｍｏｄｅｌ ｍａｔｅｒｉｌａ ｉｎ ｕｎｉａｘｉｌａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｆ Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒ－ ｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００２，３９（２）：２２９ —２４１． ［１７］车法星，黎立云，刘大安．类岩材料多裂纹体断裂破坏试验 及有限元分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（３）：２９５ —２９８． ［１８］黄凯珠，林鹏，唐春安，等．双轴加载下断续预制纹贯通机制 的研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（６）：８０８—８１６． ［１９］杨圣奇．断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究［Ｊ］． 岩土力学，２０１３，（１）：３１—３９． ［２Ｏ］张平，李宁，贺若兰，等．动载下三条断续裂隙岩样的裂缝贯 通机制［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（９）：１４５７—１４６５． ［收稿日期］２０１５—１０—３０ ［作者简介］邓东平（１９９０一），男，成都人，硕士研究生，研究 方向：岩土工程等领域。
