1、第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023含交叉裂隙试块力学破坏及裂纹扩展研究李祥1，戴世鑫1，朱伟1，卢振兴2，3，周彧2，3(1 湖南科技大学 地球科学与空间信息工程学院，湖南 湘潭 411201;2 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201;3 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)摘要:大自然中岩体裂隙常常以 X 型和 V 型形态分布，为探究交叉裂隙在荷载作用下对岩体力
2、学破坏特性和裂纹扩展影响，分别制作类岩石试块其裂隙倾角为 30、60、90，裂隙长度为 10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，形状为 V 型和 X 型的裂隙试块，利用设备 YL600 微机控制岩石剪切流变仪进行单轴压缩试验，分析了含不同裂隙长度和角度下的类岩石试块力学特性及裂纹扩展演变规律。结果表明:含 X 型裂隙、V 型裂隙岩体试块应力强度明显低于完整试块，含交叉裂隙试块应力应变曲线明显比完整试块更早进入破坏阶段;不同裂隙角和裂隙长度会改变原本裂纹萌生、扩展方向以及裂纹最终破坏状态，随着裂纹倾角越大，含交叉裂隙试块裂纹扩展越明显，试块表面脱落面积和数量逐渐减小。关键词:单轴压缩;裂
3、纹扩展;交叉裂隙;力学特性中图分类号:TU452文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0410-10Study on the Mechanical Destruction Characteristics and CrackExpansion of Test Block Containing Cross FissuresLi Xiang1，Dai Shixin1，Zhu Wei1，Lu Zhenxing2，3，Zhou Yu2，3(1 College of Earth Science and Spatial Information Engineering，Hunan Uni
4、versity of Science and Technology，Xiangtan，Hunan 411201，P China;2Hunan University of Science and Technology School of esource Environment and Safety Engineering，Xiangtan，Hunan 411201，P China;3Hunan University of Science and Technology Coal Mine Safety Mining TechnologyHunan Key Laboratory，Xiangtan，H
5、unan 411201，P China)Abstract:In nature，fissures in rock mass are often distributed in the shape of X and V In order to explore theinfluences of cross fissures on the mechanical failure characteristics of rock mass and crack propagation under load，rock specimens with dip angles of 30，60 and 90，fractu
6、re lengths of 10 mm，20 mm，30 mm and 40 mm andshape of V and X were producted，respectively The YL 600 computer-controlled rock shear rheometer wasadopted to conduct uniaxial compression tests，and the mechanical properties，crack propagation and evolution law ofrock-like specimens with different crack
7、lengths and angles were analyzed The results show that the stress intensityof the rock mass test block with X-type and V-type fissures is obviously lower than that of the complete test block，and the stress-strain curve of the rock mass test block with cross frac fissures tures is obviously earlier e
8、ntering failurestate than complete test block The angle and length of fissures can change the initiation，propagation direction andfailure mode of rock mass With the increase of fissure angle，the crack propagation of the test block with crossfissures becomes more obvious，and the area and number of su
9、rface peeling off gradually decreaseKeywords:uniaxial compression;crack expansion;cross fissures;mechanical characteristics收稿日期:2022-09-21(修改稿)作者简介:李祥(1997)，男，江西九江人，硕士生，主要从事环境与地质灾害方向的研究。E-mail:1449674130 qqcom通讯作者:戴世鑫(1983)，男，山东青岛人，博士，副教授，主要从事地质、地球物理勘探研究。E-mail:hnkjdsx 126com基金项目:国家自然科学基金(51804112);
10、国家重点研发计划项目(2018YFB0605503);国家重点研发计划项目(2018YFC0807801);自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放基金(KF2021-5)0引言岩体经漫长的地质演变，原有节理面扩展、贯通表面出现各种裂隙、不连续节理面以及断层等形成宏观裂隙1，这些不同形态的裂隙严重影响岩体的稳定性。裂隙的长度、倾角以及形状引诱岩体裂纹扩展、萌生、贯通，对岩体失稳破坏起着至关重要的作用，而岩体失稳会导致许多工程灾害问题2-6。例如，地质滑坡、硐室中岩爆、地表凹陷等灾害问题。为预防及保证工程施工在岩体安全稳定性，研究裂隙岩体破坏特征及裂纹扩展成为一个重要的科学问题7。因此，研
11、究裂隙对岩体力学性质及裂纹扩展影响显的尤为重要。为进一步了解裂隙的倾角、长度以及形状对岩体破坏特性及裂纹扩展的影响，国内外学者对预制裂隙诱导岩体学失稳和裂纹扩展情况进行了大量试验研究8-10。Brace 等11 对含有单裂隙岩体进行破坏试验，发现单裂隙会诱导萌生新的裂隙并偏离原本裂隙路径。Bobet 等12 通过对单裂隙岩体破坏试验，认为岩石破坏时会产生次生剪切裂纹和翼型拉伸裂纹，并且认为剪切裂纹是诱导岩石最终破坏的原因。Wong 等13 通过试验研究不同材料下单裂隙岩体破坏机理，基于岩体不同破坏状态，提出了剪切、拉伸及拉剪混合模型等多种不同类型的裂纹扩展模式。Lee 等14 通过对不同预制裂
12、隙试块试验，说明了预制裂隙试块裂纹需要经过萌生、扩展、和聚合等演变。Yang 等15 通过研究单裂隙及两条平行非共面裂隙破坏模式，分析了预制裂隙的长度、倾角对岩体裂纹扩展及力学性质影响。Wong 等16 通过对预制裂隙岩石进行试验，分析了预制裂隙的长度、倾角及裂隙的宽度等对岩体裂纹萌发、扩展及最终破坏方式等影响。Dyskin等17 通过研究单个倾斜预制裂缝试块，总结了裂纹扩张等规律，并得到裂纹扩展和大主应力方向扩展等有关结论。岑夺丰等18 研究了裂隙岩体裂纹扩展拉剪破坏规律，结果表明，不同角度下边缘次生裂纹与裂隙端部发育的主裂纹会产生不同现象。刘新荣等19 研究了圆柱含 V 型相交裂缝岩体的力
13、学特征，试验结果表明裂纹数量越多，试件表面的脱落面积越大，耗散能和能量耗散率也越大。Liu 等20 研究了在不同围压下含 X 型交叉裂隙试块裂纹扩展与破坏规律，并用工程结果进行了对比验证分析。目前针对含 V 型交叉裂隙试块力学破坏特性及裂纹扩展试验研究较少21-22，自然界中常见裂隙有 V 型、X 型等裂隙，如图 1 所示。不同裂隙角及长度诱导岩体力学破坏以及裂纹扩展影响都会不同，且岩体裂隙容易造成底端应力集中，萌生出许多新裂隙。为了更好地研究岩体中不同交叉裂隙之间的关系，通过预制不同裂隙角度和长度的 V型和 X 型平面裂隙，研究单轴压缩下类岩石试块失稳特性及裂纹扩展演变规律，试验结果有利于进
14、一步了解裂隙岩体力学和不同裂隙之间破坏特征和裂纹演化规律。图 1自然界岩体中交叉裂隙Fig1Cross fissures in natural rock masses1试验方案11试件制作及方案设计现实中天然岩石难以获取理想特定产状的裂缝，且用真实岩石制作特定产状的裂缝非常的困难。在研究岩体力学破坏特性及裂纹扩展试验研究中，前人一般采用类似材料制成岩石代替真实岩体进行实验研究23-27，并取得一系列重要的进展与结果。本文采取用类似材料代替真实岩石并制定特定理想状态的平面裂隙试块。经过大量实验配比与研究，本文最终采取po325水泥、砂、水组成的水泥砂浆岩石试块，其质量配比为 m水泥m砂m水=26
15、 25 10 的砂质泥岩类试块。制备尺寸为长宽高=150 mm 150 mm30 mm 的长方形试块。制作含交叉裂隙类岩石试块如图 2 所示，预制裂隙采用预埋钢条的方法来制作，所制作的裂隙为贯穿开放型裂隙。夯实材料放置预先准备好的模具中，预制裂隙等;试1142023 年第 2 期李祥，等:含交叉裂隙试块力学破坏及裂纹扩展研究件在适温下放置 12 h 后拔出钢片，将预制试件脱模，剔除形状不规整、表面或端部不平整和裂纹未贯通的破损试样，图 2 所示为含交叉裂隙试块。选取合格试块进行 28 d 养护，并做好相应的标记。图 2制作交叉裂隙试块示意图Fig2Schematic diagram of ma
16、king across-fissured test block为研究不同交叉角度和长度预制裂缝对岩石力学破坏特性及裂纹扩展影响，设计不同角度和长度的 X 型试块及 V 型相交裂缝试块，具体试验方案内容见表 1。表 1试验方案Table 1Experimental scheme方案加载方式载荷/(Ns1)裂隙几何参数裂隙尺寸/mm 裂隙夹角/()V 型相交裂缝单轴压缩200c=10;3c=302c=20;4c=40=30=60=90X 型相交裂缝单轴压缩200c=10;3c=302c=20;4c=40=30=60=9012试验设备及加载程序试件单轴压缩破坏均在设备 YL600 微机控制岩石剪切流变仪上进行，试验采用荷载控制的加载方式加压，以 200 N/s 的恒定加载速率对试件加压直至破坏。试块加载前对试件上下端部涂抹凡士林减小端部效应以及刚性承压板与试块之间摩擦力的影响。所有的试块都在同一环境条件下进行，同一类型标准试块均准备 2 组，选取试验中较好的破坏试件。试块在加载破坏过程中采用高清摄像机对试件破坏裂纹的产生、发展、贯通进行全程拍摄记录，试验装置如图 3 所示。图 3试验制备流程
