1 引言
岩石做为一种运用广泛的工程材料，由于其内部裂隙、裂纹等缺陷的存在，其实际强度远小于其理论强度。为了弄清楚这一简单现象的背后原因，一些学者着手于单裂纹模型[1]，从不同的角度和方面对裂纹缺陷的扩展机制和破坏行为作了大量的研究工作[1-4]。陈蕴生[5]采用MTS、超声波监测仪及CT设备，运用岩石力学、损伤力学和分形几何理论对非贯通裂隙介质进行了破坏形态、破坏过程、裂隙强度效应、裂隙变形效应、细观机理研究等很有意义的研究。殷致武，王玉[6]等人对裂隙与力学参数的相互影响进行了研究，并建立了岩体强度参数与其断裂之间的互推关系式，文[7]用大理岩材料研究了预置裂纹的贯通机制，这是目前国内外较少用真实材料进行预置裂纹贯通的研究之一，文[8]运用试验与数值模拟相结合的方法研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程，这是目前比较流行的研究方法。随着研究方法的日趋成熟，裂隙岩体的模拟和研究也更加深入。
由于岩石组成结构的复杂性以及内部缺陷的程度不同，造成了试验结论的差异性，为了揭示内部缺陷对岩石本身力学性能的影响，也为了更接近工程岩体天然的三向应力状态,本文对不同裂隙倾角的水泥砂浆试件进行了三轴压缩试验,分析了其强度和变形特性的发展规律,并分别对其进行了拟合。
2 试验总体设计
2.1 试验材料与试样制备
本试验用水泥砂浆制作含有不同角度的裂隙试样。试样制作选用两种粒径范围的河沙，其中0.09-0.15mm细沙含量为50%，0.15-0.30mm细沙含量为50%，水灰比采用水泥∶细沙∶水=1∶2∶0.5(重量比)，水泥采用32.5R级普通硅酸盐水泥。裂隙制作采用宽度为2cm，厚度为0.2mm的铜片按照如图1所示的设计位置和角度插入试件，待试样浇注至初凝时12个小时以后将薄铜片抽出，然后放入标准养护室养护28天。设计的裂隙倾角分别为0°、30°、45°、60°、90°。根据岩石的常规力学性能测试要求制作成φ50mm×100mm标准圆柱体试件。
2.2 试验设备
试验采用WDT-1500多功材料试验机，该仪器是在MTS的基础上，结合国情得以改进，由西安理工大学岩土工程研究所与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制开发的一套大型、多功能的刚性材料伺服试验系统。
仪器的功能：试验机能完成动、静荷载条件下的单轴与三轴试验、全应力-应变试验、直剪试验、流变试验、国际标准岩石试件10Hz以下的疲劳破坏以及加载过程中的实时声波检测。仪器有应力、变形、位移三种伺服控制方式。本试验考虑到试验机的安全性、试验过程的可控性以及曲线的完整性，故在本次试验中，轴向加载(轴压)采用位移控制，径向加载(围压)采用应力控制。
试验机的主要技术指标：最大轴向试验力：1500KN; 轴向位移测量范围：100mm;
轴向变形测量范围：0-10mm;径向变形测量范围：0-5mm;
三轴室最大围压：80MPa; 最大剪切力：1000KN
动态指标：试验力：1000KN;振幅：0-0.5mm;频率：0-10Hz
2.3 试验方案
对不同裂隙倾角的试样以同样的加载速率施加同样大的围压(本文采用0.5MPa/min，8MPa)，然后以0.5mm/min的速度进行轴向压缩直至试样破坏为止。
3 试验结果及分析
表1 裂隙试样三轴压缩试验结果
Table 1 Results of crack sample with different angle under triaxial compression test
|
试件编号 |
裂隙倾角（°） |
围压（MPa） |
弹性模量
(GPa) |
峰值强度（MPa） |
峰值应变1（10-2） |
峰值应变2（10-2） |
泊松比 |
|
A1 |
0 |
8 |
10.30 |
67.35 |
0.809 |
0.544 |
0.23 |
|
A2 |
30 |
8 |
10.13 |
54.40 |
0.680 |
0.459 |
0.26 |
|
A3 |
45 |
8 |
12.02 |
45.00 |
0.765 |
0.246 |
0.29 |
|
A4 |
60 |
8 |
13.63 |
49.93 |
0.607 |
0.377 |
0.31 |
|
A5 |
90 |
8 |
13.89 |
57.89 |
0.506 |
0.156 |
0.34 |
3.1裂隙试样的变形特性
3.1.1裂隙试样的应力-应变特性
三轴压缩下裂隙试样的应力与轴向应变曲线，在三轴压缩应力状态下，不同倾角的裂隙试样的应力-应变关系都经历了裂隙压密阶段—弹性阶段—屈服阶段—破坏阶段，但其变化过程受裂隙角度的影响。在压密和弹性阶段，裂隙倾角对这两阶段的影响较小，受到围压和轴压共同作用，裂隙试样在轴向应力为8MPa内完成了压密。当α由0°增加为90°时，各试样对应的屈服应力分别为20、22、30、35、40MPa，可见屈服应力随裂隙倾角的增加逐渐增加。在轴向压缩过程中，裂隙角度α越高，裂纹的萌生、扩展受到的抑制越大，导致屈服应力越高，屈服过程越快，试样的脆性特征越明显。
3.1.2裂隙试样的环向应变-轴向应变特点
图3为裂隙试样的环向应变-轴向应变曲线。裂隙试样在轴向压缩过程中，环向变形从侧面反映了试样的屈服、弱化和破坏特征。由曲线可以看，环向变形经历了弹性变形、屈服和破坏3个阶段。在加载初期，由于围压的存在，环向变形很小，反映不出试样的压密过程;在屈服和破坏阶段，由于内部的剪切滑移使岩样产生明显塑性变形,而环向应变比轴向应变更能灵敏地反映材料内部的屈服、弱化，且环向弹性应变远小于轴向应变的缘故，其塑性变形的增加显得相对较快，致使环向应变-轴向应变曲线偏离直线。在弹性阶段，不同裂隙角度试样的环向应变-轴向应变斜率差异不是很明显;屈服阶段，在相同的轴向应变下，裂隙角度越小的试样环向变形越大;在破坏阶段，裂隙倾角α= 90°试样的环向变形增加显著，曲线有明显的拐区。
3.1.3裂隙试样的应力-体积应变特点
在三轴压缩过程中，试样都经过了相同的体积变化过程，先是体积应变增加，表明试样中微孔洞和裂隙被压密、闭合;当体积被压缩到最小值时候，由于其内部材料不断达到极限承载力而屈服破坏产生塑性，体现在宏观上即试样体积开始膨胀，并随之出现明显裂纹。在压密阶段和弹性阶段，各裂隙试样的体积应变缓慢增加，体积逐渐减小;裂隙倾角α=0°、30°的试样进入屈服阶段后体积就开始膨胀，而α=45°、60°、90°的试样，只有在接近破坏时体积才开始膨胀。裂隙角度从0°到90°，各试样对应的体积开始由压缩到膨胀转折点处的应力分别24、25、41、44、52MPa。
3.2裂隙试样的力学特性
当裂隙倾角由0°到90°时，主动压缩试样的强度随裂隙倾角α增加先降低后增加，45°时峰值强度最小，0°和90°时较高。由此可知，裂隙倾角对岩样的峰值强度影响非常显著，这与前人研究结果一致。
当裂隙倾角由由0°到90°时，主动压缩试样的弹性模量随倾角α增加有微弱的增加，相对其基数而言可以认为几乎无差异，应该是围压减弱了裂隙倾角的效应所致。
3.3裂隙试样的破坏特性
3.3.1裂隙试样的破坏形式
试件的破坏形式与裂隙倾角α有关。裂隙倾角α=0°时，沿预制裂隙端部萌生较短的翼裂纹，在预制裂隙外生成了次级裂纹，破坏为张剪破坏;α=30°、45°时，沿预制裂隙两端部起裂，形成与轴向加载方向成30°左右夹角的剪切破裂面;α=60°时，沿预制裂隙面方向发生剪切破坏;α=90°时，从预制裂隙上端生成与轴向成15°夹角的V型剪切破坏面，并在预制裂隙底端产生贯通的平行于加载方向的张裂纹，试样属张剪混合破坏。
3.3.2裂隙试样的破坏机理分析
裂隙倾角α=0°时，虽然试样在较小的轴向应力就进入屈服阶段，但由于裂隙面垂直于主应力方向以及在8MPa围压作用下，抑制了裂隙尖端的局部张应力，使预制裂隙端部不容易萌生翼裂纹，导致试样的强度较高。裂隙倾角90°时，尽管预制裂隙角度的方向平行于轴向加载方向，但8MPa的围压水平也强烈的抑制了裂纹的扩展，这种抑制直接导致试样峰值强度的增加，但在接近峰值强度时，裂纹扩展较快，并直接导致最后张剪破坏。当预制裂隙角度为45°时，预制裂隙的端部最容易产生剪裂纹，导致强度较小。
4 结 论
综上可知，在三轴压缩下裂隙试样的变形、强度和破坏有如下特点：轴向变形大于环向变形;体积先被压缩后膨胀;裂隙倾角为0°、30°的试样进入屈服阶段后体积就开始膨胀，而裂隙倾角为45°、60°、90°的试样只有在接近破坏时体积才开始膨胀;屈服应力随裂隙倾角的增加而增大;裂隙角度越大，试样的脆性特征越明显;强度随裂隙倾角增加先降低后增加，45°时峰值强度最小，0°和90°时较高，弹性模量几乎不受裂隙倾角的影响;试件的破坏形式与裂隙倾角有关，多为剪切破坏。
参考文献(References)：
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[2] Nemat-Nasser S，Obata M M.A microcrack model of dilatancy inbrittle material[J].Journal of applied mechanics，1988，55：24–35.
[3] Shen B，Barton N.The disturbed zone around tunnels in jointed rockmasses[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.，1997，34(1)：117–125.
[4] 陈卫忠，李术才，朱维申，等.岩石裂纹扩展的试验与数值分析研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22(1)：18–23.(Chen Weizhong，Li Shucai，Zhu Weishen，et al.Experimental and numerical research oncrack propagation in rock under compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(1)：18–23.(in Chinese))
[5] 陈蕴生单轴压缩条件下非贯通裂隙介质损伤演化特征的试验研究：[硕士学位论文] [D].西安：西安理工大学，2002
[6] 殷致武，王玉. 岩体中裂隙与力学参数的相互影响研究[j].三峡大学学报(自然科学版)，2007，29(6)：525–527.
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[8] 林鹏 黄凯珠 王仁坤 周维垣. 不同角度单裂纹缺陷试样的裂纹扩展与破坏行为[j], 岩石力学与工程学报，2005.11(24增2): 5652-5657
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文章名称：
三轴压缩下裂隙试样力学-变形特性的试验研究
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