雙軸循環(huán)荷載條件下含預制裂紋類玄武巖巖橋貫通模式*

韓　剛　楊　帆　劉　宇　王延寧　趙　幸　趙其華

雙軸循環(huán)荷載條件下含預制裂紋類玄武巖巖橋貫通模式*

韓剛①楊帆②劉宇③王延寧④趙幸⑤趙其華①

( ①地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室( 成都理工大學) 成都610059)

( ②四川省地質(zhì)工程勘察院成都610072)

( ③西華大學應用技術學院成都611930)

( ④山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院煙臺264004)

( ⑤重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院重慶400042)

摘要揭示雙軸循環(huán)荷載條件下類玄武巖內(nèi)裂紋起裂、擴展及巖橋貫通模式。配制類玄武巖相似材料，預制裂紋傾角α=30°、裂紋長度2a=20mm、裂紋厚度l=0.3mm的雙裂紋，設計不同巖橋長度L、巖橋傾角β試樣，采用雙軸壓縮、雙軸循環(huán)加卸載方式，研究裂紋擴展及巖橋貫通模式。試驗結果表明：(1)雙軸循環(huán)加卸載條件下，裂紋擴展-巖橋貫通過程可分為翼裂紋起裂、翼裂紋擴展和次生裂紋起裂及擴展、巖橋貫通3個階段； (2)巖橋貫通類型可分為剪性貫通、張剪復合貫通和張性貫通3類。雙軸壓縮條件下，巖橋貫通模式可進一步劃分為9種模式， 雙軸循環(huán)加卸載條件下，巖橋貫通模式可分為8種模式； (3)雙軸循環(huán)加卸載試驗比雙軸壓縮試驗更易發(fā)生剪性貫通，且在部分試樣巖橋處出現(xiàn)局部壓碎隆起現(xiàn)象； (4)巖橋傾角β和巖橋長度L對巖橋貫通模式影響顯著，隨著巖橋傾角的增大，巖橋貫通模式逐漸轉變?yōu)榧粜曰驈埣粜载炌āｋp軸壓縮條件下，巖橋長度增加，貫通模式由張剪復合貫通過渡為剪性貫通，而雙軸循環(huán)加卸載試驗則恰恰相反。

關鍵詞玄武巖相似材料裂紋擴展巖橋貫通模式雙軸循環(huán)加卸載試驗

趙其華(1965-)，男，教授，博士生導師，主要從事巖石高邊坡工程、地質(zhì)災害評價與治理設計等領域的科研與教學工作.Email:zhqh@163.com

(②SichuanInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation，Chengdu610072)

(③AppliedTechnologySchool，XihuaUniversity，Chengdu611930)

(④TheThirdExplorationInstituteofGeologyandMineralResourcesofShandongProvince，Yantai264004)

(⑤ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources，Chongqing400042)

Basalt，Similarmaterial，F(xiàn)lawpropagation，Rockbridgecoalescencemode，Biaxialcycliccompressiontest

0引言

巖體內(nèi)發(fā)育的節(jié)理、斷層、層理等不連續(xù)面對巖石邊坡、地下硐室等工程中巖體穩(wěn)定性起著極其重要作用(Hoek， 1988； 孫廣忠， 1988)。節(jié)理、層理等不連續(xù)面也是我國西南深切峽谷岸坡巖體深部破裂(或稱之為深卸荷)形成的結構基礎(韓剛等， 2011， 2013)，控制深部破裂的形成與分布。研究巖體內(nèi)節(jié)理(裂紋)的萌生、擴展、貫通過程不僅可為深部破裂的成因機理、分布預測提供理論依據(jù)，也可為進一步研究節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定性奠定基礎，具有十分重要的意義。

針對節(jié)理巖體研究，國內(nèi)外學者開展了大量工作，取得了豐碩的成果。在節(jié)理巖體破壞類型、破壞模式方面，Lajtai(1969)根據(jù)直剪試驗研究成果，依據(jù)法向應力的不同，將破壞類型劃分為拉斷破壞、剪斷破壞、壓碎破壞。朱維申等(1998)、Bobetetal.(1998)和Parketal.(2010)基于類巖石相似材料單軸、雙軸壓縮試驗成果，將破壞類型歸納為剪切破壞、拉剪復合破壞和翼裂紋擴展等。趙延林等(2013)將有序多裂紋體破斷模式劃分為排間翼形拉裂紋貫通、排間拉伸-剪切裂紋貫通和排內(nèi)傾斜剪切裂紋貫通等3類。岑奪豐等(2014)將裂紋擴展概括為翼裂紋+張拉、順翼裂紋、反翼復合裂紋+張拉、順翼復合裂紋+張拉、共面復合裂紋和傾斜復合裂紋等6種基本模式。

在節(jié)理巖體破壞過程研究方面，劉東燕等(1998)結合聲發(fā)射測試技術，研究單軸壓縮條件下裂紋萌生-擴展-破壞過程。陳蘊生等(2000)、李術才等(2004， 2007)、楊永明等(2014)利用較為先進的CT技術研究裂紋分布及擴展全過程。代樹紅等(2014)通過數(shù)字圖像相關法觀測裂紋在層狀巖石中的擴展過程。師訪等(2014)采用擴展有限元方法，模擬單軸壓縮荷載條件下裂紋分叉、擴展過程?；谠囼灣晒?，白世偉等(1999)將節(jié)理巖體破壞過程劃分為線彈性階段、節(jié)理面錯動、起裂并擴展直至貫通最終失穩(wěn)等階段。Mughiedaetal.(2004， 2008)根據(jù)不同類型裂紋出現(xiàn)順序，將節(jié)理巖體破壞過程劃分為翼狀裂紋首先產(chǎn)生，次級裂紋隨后產(chǎn)生、擴展并在巖橋內(nèi)貫通等階段。

節(jié)理巖體的破壞類型、破壞模式、破壞過程與節(jié)理傾角、巖橋長度、圍壓等因素有關。朱維申等(1998)發(fā)現(xiàn)，當傾角在30°～60°之間時易于發(fā)生剪切貫通，傾角在60°～90°之間時，拉剪破壞可能性大，當傾角大于90°時，可能產(chǎn)生翼裂紋擴展-貫通破壞。Sagongetal.(2002)研究表明，翼裂紋和次生裂紋的起裂應力隨節(jié)理傾角和間距的增大而增大，隨節(jié)理數(shù)量增多而減小，裂紋搭接形式與節(jié)理傾角和巖橋傾角有關。黃凱珠等(2002)發(fā)現(xiàn)在低側壓條件下，破裂從預制裂紋的尖端以起裂角θ=25°(軸方向)擴展，高側壓下裂紋易以平行軸方向擴展。李銀平等(2003， 2004)研究表明，巖橋和裂紋尺寸對翼裂萌生和擴展有很大影響，試驗材料對翼裂萌生和擴展也有一定影響。鐘波波等(2014)采用RFPA2D數(shù)值軟件研究裂紋擴展模式，發(fā)現(xiàn)剪破裂隨圍壓增大明顯增多，剪裂紋對擴展模式起主導作用。除此之外，陳明等(2014)發(fā)現(xiàn)裂紋近區(qū)地應力及孔隙水壓力變化也對裂紋失穩(wěn)與擴展具有影響，可改變裂紋擴展模式。

目前針對節(jié)理巖體裂紋擴展模式、擴展過程、影響因素研究已經(jīng)較為成熟，但已有研究多限于恒載條件，未能反映荷載變化。自然界中巖體所處應力環(huán)境并非恒定不變，特別是西南深切河谷邊坡巖體，其應力狀態(tài)往往受剝蝕、卸荷以及谷底應力集中的影響，是一個循環(huán)加載、卸載過程，若進一步考慮開挖-修建過程等人類工程活動，則是一個快速開挖卸載、加載過程。因此，采用循環(huán)加載、卸載試驗方式則能較為近似的模擬自然界巖體真實受力情況，所取得的認識也更貼近于實際。

1試驗設計

1.1材料選擇

本文原巖為白鶴灘水電站隱晶玄武巖，采用重晶石粉、砂、石膏、水泥、水制作類玄武巖試件，配比為(質(zhì)量比)：重晶石粉:砂:石膏:水泥:水:早強劑:防水劑=12:30:8:35:14:0.6:0.4。根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL264-2001)，制成φ50mm×100mm的標準試件，分別測試玄武巖試樣與相似材料試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比和密度 (表1)。泊松比μ相似比為0.9，密度ρ相似比約為0.8，抗壓強度σc、彈性模量E相似比均約等于10，抗拉強度σt相似比約為4.2。

表1　玄武巖與相似材料物理力學參數(shù)

地質(zhì)力學模型試驗要求所有無量綱物理量相似比均為1，相同量綱物理量相似比相等。除抗拉強度σt相似比不滿足要求外，抗壓強度σc、彈性模量E、密度ρ、泊松比μ均滿足要求，模型材料可認為近似類玄武巖相似材料。

1.2雙裂紋試樣幾何尺寸

試樣設計 (圖1)包括：裂紋傾角α、裂紋長度2a、裂紋厚度l、巖橋傾角β和巖橋長度L 5個指標。

圖1　雙裂紋試樣示意圖Fig. 1　Sketch map of specimen with two flaws

裂紋傾角α、裂紋長度2a和裂紋厚度l為不變量(裂紋傾角α=30°、裂紋長度2a=20mm、裂紋厚度l=0.3mm)，巖橋傾角β、巖橋長度L為變量(巖橋長度L分別設置為20mm和30mm，巖橋傾角β分別為30°、70°和120°)。

1.3試樣制備

澆筑模具由鑄鐵加工，包括一個底板、兩個側板及4個隔板。各組件之間由螺桿固定，模型內(nèi)部尺寸：長×寬×高=100mm×100mm×100mm(圖2)。

圖2　澆筑模具示意圖Fig. 2　Sketch map of casting mould

試樣制作流程：

(1)組裝模具，在內(nèi)表面刷一層潤滑油；

(2)按配比稱取所需材料，混合拌勻；

(3)將定質(zhì)量的混合材料倒入模具中澆筑壓實；

(4)澆筑完成10～20min后，將擦拭機油的0.3mm的不銹鋼金屬條插入預定刻槽位置，繼續(xù)養(yǎng)護2～3h，待試樣初凝，將金屬條抽出；

(5)自然條件下養(yǎng)護1d后拆模；

(6)拆模后，檢查試樣表面及端部平整度、裂紋的貫穿性，對形狀不規(guī)整、端部不平的試樣進行打磨，保證試樣的平整度滿足試驗要求，剔除破損試樣；

(7)將試樣放入自來水中養(yǎng)護7d后烘干。

1.4試驗設備

試驗設備采用成都理工大學自主研制的攜帶式巖石、土力學多功能試驗儀 (圖3)、CM-1L-10型靜力電阻應變儀和數(shù)碼相機。通過黏貼應變片并用靜力電阻應變儀同步采集應變數(shù)據(jù)，同時用磁性位移百分表測量變形，以作為對比。

圖3　巖石、土力學多功能試驗儀示意圖Fig. 3　Sketch map of rock and soil mechanics multifunctional tester

攜帶式巖石、土力學多功能試驗儀的豎向加載范圍0～40MPa，最小精度0.2MPa，側向加載范圍0～6MPa，最小精度0.02MPa；CM-1L-10型靜力電阻應變儀測量范圍0～±25000με，精度±0.2%FS±2με； 電阻應變片型號為BX129-20AA， 120Ω，敏感柵尺寸3mm×20mm，靈敏系數(shù)為2.06～2.12； 磁性位移百分表測量范圍0～10mm，精度0.01mm。

1.5試驗方案

采用雙軸壓縮、雙軸循環(huán)加卸載兩種方式：側壓分別為σ3=1MPa、2MPa、3MPa。

雙軸壓縮試驗步驟：

(1)軸壓和側壓同步加載至預定值，穩(wěn)壓3min；

(2)保持側壓不變，軸壓σ1以1MPa為增量，逐級加載，每級荷載下穩(wěn)壓1min；

(3)軸向應力超過峰值及裂紋貫通后，停止試驗。

雙軸循環(huán)加卸載試驗步驟：

(1)軸壓和側壓同步加載至預定值，穩(wěn)壓3min；

(2)保持側壓不變，軸向加載至超過前一級軸向荷載2MPa后穩(wěn)壓1min，隨即開始卸載，卸載至預定側壓值后穩(wěn)壓1min，繼續(xù)加載，如此循環(huán)；

(3)軸向應力超過峰值及裂紋貫通后，停止試驗。

試驗過程中觀測裂紋起裂、擴展、貫通的情況，并記錄每級加載試樣的軸向應變值、側向應變值、裂紋擴展過程的起裂應力和峰值應力。

1.6試樣命名規(guī)則

雙軸壓縮試驗(CG)試樣命名規(guī)則為：

Sx-y-z

其中：x代表巖橋長度L，當巖橋長度L=20mm時，x=1； 當巖橋長度為30mm時，x=2；y代表巖橋傾角β，當巖橋傾角β=30°、70°、120°時，y=30、70、120；z代表側壓σ3，當側壓σ3=1MPa、2MPa、3MPa時，z=1、2、3。雙軸壓縮試驗的試樣(表2)。

表2　試樣表

圖4　典型試樣示意圖Fig. 4　Sketch maps of typical specimena. S1-30-X-1; b. S1-70-X-1; c. S2-70-X-1; d. S2-70-X-3; e. S2-120-X-1; f. S1-30-2; g. S1-70-2; h. S2-70-1; i. S1-120-3

雙軸循環(huán)加卸載試驗(XH)試樣命名規(guī)則為Sx-y-X-z，其中，x，y，z所代表的意義和取值同常規(guī)雙軸壓縮試樣，X代表循環(huán)荷載試驗。雙軸循環(huán)加卸載試驗的試樣(表2)。

2試驗結果

2.1雙軸循環(huán)加卸載試驗(XH)

試驗過程中，隨著軸壓(σ1)不斷增大，裂紋外側端部(近端部)、內(nèi)側端部(近端部)以一定的角度形成細小的張性裂紋，裂紋面平整干凈，即為翼裂紋(Bobetetal.， 1998)。當軸壓繼續(xù)增加，裂紋的擴展及進一步的巖橋貫通會出現(xiàn)以下3種情況：

(1)裂紋端部或者近端部出現(xiàn)一系列剪性裂紋，裂紋面粗糙，且呈鋸齒狀，部分裂紋面可見碎裂顆粒，即次生裂紋(Bobetetal.， 1998)。裂紋內(nèi)、外側端部(近端部)的張性裂紋轉向沿最大主應力方向擴展。當軸壓接近峰值應力，巖橋間產(chǎn)生隆起，或出現(xiàn)一系列細小、未貫通的張剪性裂紋。巖橋貫通模式或者為外側翼裂紋沿最大主應力方向擴展至試件端部，或者為兩端次生裂紋擴展至試件端部 (圖4a)。

(2)裂紋內(nèi)側出現(xiàn)剪性次生裂紋，外側翼裂紋轉向平行最大主應力方向擴展，當軸壓接近峰值應力時，內(nèi)部次生裂紋相互搭接貫通。巖橋貫通模式或者為外側翼裂紋沿最大主應力方向擴展至試件端部，或者為兩端次生裂紋擴展至試件端部 (圖4b、圖4c、圖4d)。

表3　3種巖橋貫通類型Table3　Three rock bridge coalescence types

(3)裂紋內(nèi)側出現(xiàn)剪性次生裂紋，外側翼裂紋轉向平行最大主應力方向擴展，當軸壓接近峰值應力時，內(nèi)部翼裂紋和次生裂紋搭接貫通。巖橋貫通模式或者為外側翼裂紋沿最大主應力方向擴展至試件端部，或者為兩端次生裂紋擴展至試件端部 (圖4e)。

上述破裂過程均首先產(chǎn)生翼裂紋，隨后產(chǎn)生翼裂紋的擴展及次生裂紋出現(xiàn)，最后以巖橋貫通為終止。因此，裂紋擴展-巖橋貫通過程可歸納為：翼裂紋起裂、翼裂紋擴展和次生裂紋起裂及擴展、巖橋貫通3個階段。

2.2雙軸壓縮試驗(CG)

試樣峰值強度普遍高于同幾何尺寸、同側壓的雙軸循環(huán)加卸載試樣，而裂紋類型、裂紋擴展、巖橋貫通模式則近似。僅在雙軸循環(huán)荷載試驗中，部分巖橋傾角為70°、120°、巖橋長度為30mm的試樣巖橋處出現(xiàn)壓碎、隆起，這在雙軸壓縮荷載試驗中未見。雙軸壓縮試驗典型結果見圖4f、圖4g、圖4h、圖4i。

表4　雙軸壓縮條件下巖橋貫通模式Table4　Rock bridge coalescence modes under biaxial compression　表中S為次生裂紋，T為翼裂紋

3結果分析

3.1巖橋貫通類型

與已有研究成果類似，本文試驗所得到的巖橋貫通類型可劃分為3類：剪性貫通、張性貫通和張剪復合貫通。3種典型巖橋貫通類型(表3)。

剪性貫通主要由內(nèi)部準共面次生裂紋、內(nèi)部傾斜次生裂紋之間相互搭接，貫通路徑可以是直線、折線或曲線。

張性貫通主要由內(nèi)部翼裂紋之間相互搭接(Mughiedaetal.， 2004)。本文試驗中的張性破壞并未使巖橋貫通，而是內(nèi)部翼裂紋產(chǎn)生后直接沿最大主應力方向擴展，并導致試樣最終破壞，李銀平等(2004)的研究也有相似結果。

張剪復合貫通較剪性、張性貫通復雜，是由內(nèi)部翼裂紋、內(nèi)部次生裂紋和巖橋間張性裂紋共同控制的巖橋貫通類型。

3.2雙軸壓縮條件下巖橋貫通模式

雙軸壓縮條件下巖橋貫通模式可分為9類 (表4)。其中，A1～A4屬剪性貫通模式，B1～B3屬張剪復合貫通模式，C1～C2屬張性貫通模式。

表5　雙軸循環(huán)加卸載條件下巖橋貫通模式Table5　Rock bridge coalescence modes under biaxial cyclic compression　表中S為次生裂紋，T為翼裂紋

3.2.1剪性貫通模式

A1巖橋貫通模式(S+S)：由一條內(nèi)部傾斜次生裂紋(S)與一條內(nèi)部準共面次生裂紋搭接而成。在傾斜次生裂紋的一側，總會出現(xiàn)一個圓弧狀的突起，并延伸出一條與最大主應力方向平行的翼裂紋(T)，內(nèi)外部翼裂紋均可見。該模式主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=30°試樣。

A2巖橋貫通模式(S+S)：由一條內(nèi)部傾斜次生裂紋與一條內(nèi)部準共面次生裂紋搭接而成。內(nèi)外部翼裂紋不可見，裂紋貫通為折線形。該模式主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=70°試樣。

A3巖橋貫通模式(S+S)：由兩條內(nèi)部傾斜次生裂紋搭接而成。裂紋表現(xiàn)為或剪或張形態(tài)，難以辨認，試驗中未觀察到內(nèi)部翼裂紋。其他學者也有發(fā)現(xiàn)這種情況，如Bobetetal.(1998)在側壓為5MPa的雙軸壓縮試驗中，發(fā)現(xiàn)巖橋貫通模式表現(xiàn)出可能為剪切，也可能是張拉的特征。該模式主要出現(xiàn)于巖橋長度L=20mm，且?guī)r橋傾角β=70°試樣。

A4巖橋貫通模式(S+S)：兩端分別由一條外部傾斜次生裂紋與一條內(nèi)部準共面次生裂紋搭接而成。裂紋表現(xiàn)出剪切性質(zhì)，翼裂紋出現(xiàn)在節(jié)理的中部。該模式集中出現(xiàn)于巖橋長度L=30mm，且?guī)r橋傾角β=120°試樣。

3.2.2張剪復合貫通模式

B1巖橋貫通模式(S+T)：由一條內(nèi)部傾斜次生裂紋與一條內(nèi)部翼裂紋搭接而成。在貫通裂紋上延伸出一條與最大主應力方向平行的翼裂紋，內(nèi)外部翼裂紋均可見。該模式整體形態(tài)與A1貫通模式極為相似，也主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=30°試樣。

B2巖橋貫通模式(S+T)：由一條內(nèi)部準共面次生裂紋與一條內(nèi)部翼裂紋搭接而成。內(nèi)外部翼裂紋均可見，該模式主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=120°試樣。

B3巖橋貫通模式(S+T)：一端由一條外部準共面次生裂紋與一條內(nèi)部準共面次生裂紋搭接，另一端則由內(nèi)部翼裂紋直接貫通至另一條預制節(jié)理。貫通裂紋均表現(xiàn)出張拉性質(zhì)，翼裂紋主要出現(xiàn)在節(jié)理的中部，該模式主要出現(xiàn)于巖橋長度L=20mm，且?guī)r橋傾角β=120°試樣。

3.2.3張性貫通模式

C1巖橋貫通模式(T)：內(nèi)部翼裂紋起裂之后，直接沿著最大主應力方向擴展，直至試樣發(fā)生整體破壞，而裂紋并未在巖橋處貫通。這種貫通模式主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=30°試樣。

C2巖橋貫通模式(T)：與C1類似，該貫通模式在巖橋處產(chǎn)生隆起。因此，將其和C1區(qū)分。

3.3雙軸循環(huán)加卸載條件下巖橋貫通模式

雙軸循環(huán)加卸載條件下巖橋貫通模式可分為8類 (表5)。其中，a1～a5屬剪性貫通模式，b1～b2屬張剪復合貫通模式，c屬張性貫通模式。

與雙軸壓縮試驗條件下巖橋貫通模式比較，a1～a3類似A1～A3，b1～b2類似B2～B3、c類似C1。雙軸循環(huán)荷載條件下出現(xiàn)兩種新巖橋貫通模式：a4和a5。

a4巖橋貫通模式(S+S)：由兩條內(nèi)部準共面次生裂紋與一條內(nèi)部準共面次生裂紋搭接而成。貫通裂紋較平直，與節(jié)理共線，內(nèi)外部翼裂紋均可見，該模式也主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=30°試樣。

a5巖橋貫通模式(S+S)：由兩條內(nèi)部傾斜次生裂紋搭接而成，內(nèi)部翼裂紋不可見，該模式主要出現(xiàn)于巖橋傾角β=120°試樣。

3.4兩種試驗條件下巖橋貫通模式對比分析

對比分析表4～表6可見，兩種試驗條件下巖橋貫通模式存在差異：

表6　巖橋貫通模式統(tǒng)計表

*代表該試樣局部有隆起

(1)雙軸壓縮條件下存在4種剪性貫通模式，雙軸循環(huán)加卸載條件下存在5種剪性貫通模式，后者比前者剪性貫通模式更多樣化；

(2)巖橋傾角β對兩種試驗條件下巖橋貫通模式均有顯著影響。

當巖橋傾角β=30°時，兩種試驗條件下巖橋貫通模式均可為剪性貫通、張剪復合貫通或張性貫通。但是，雙軸壓縮試驗主要以準共生次生裂紋+傾斜次生裂紋組合的剪性貫通為主，而雙軸循環(huán)加卸載試驗則主要以準共生次生裂紋+準共生次生裂紋的剪性貫通為主。

當巖橋傾角β=70°時，兩種試驗條件下巖橋貫通模式幾乎都是以傾斜次生裂紋相互搭接、且存在少量的準共面次生裂紋+傾斜次生裂紋的剪性貫通為主。但在雙軸循環(huán)加卸載試驗中，當巖橋長度L=30mm時，在巖橋處局部產(chǎn)生壓碎-隆起。

當巖橋傾角β=120°時，巖橋貫通模式主要為剪性貫通或張剪復合貫通，并且兩種貫通模式比例近于一致。雙軸壓縮條件下，巖橋長度L=20mm時，主要是張剪復合貫通模式，巖橋長度L=30mm時，主要是剪性貫通模式，雙軸循環(huán)加卸載試驗則恰恰相反。

黃凱珠等(2002)研究發(fā)現(xiàn)，側壓對巖橋貫通模式存在影響，當側壓較高時，剪切斷裂的機會逐漸增加。與此同時，張性斷裂逐漸地被抑制。由于本文試驗側壓相對峰值應力較小，未發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律。

4結論

本文采用類玄武巖相似材料，預制傾角α=30°、長度2a=20mm、厚度l=0.3mm的雙裂紋，設計不同巖橋長度L、巖橋傾角β試樣，采用雙軸壓縮、雙軸循環(huán)加卸載試驗條件，研究裂紋擴展及巖橋貫通模式，主要結論如下：

(1)雙軸循環(huán)加卸載條件下，裂紋擴展-巖橋貫通過程可分為翼裂紋起裂、翼裂紋擴展和次生裂紋起裂及擴展、巖橋貫通3個階段。

(2)巖橋貫通類型可分為剪性貫通、張剪復合貫通和張性貫通3類。雙軸壓縮條件下，巖橋貫通模式可進一步劃分為9種模式； 雙軸循環(huán)加卸載條件下，巖橋貫通模式可分為8種模式。

(3)在本文試驗過程中，雙軸循環(huán)加卸載試驗比雙軸壓縮試驗更易發(fā)生剪性貫通，且在部分試樣巖橋處出現(xiàn)局部壓碎-隆起現(xiàn)象。

(4)巖橋傾角β和巖橋長度L對巖橋貫通模式影響顯著。隨著巖橋傾角的增大，巖橋貫通模式逐漸轉變?yōu)榧粜曰驈埣粜载炌?。雙軸壓縮條件下，巖橋長度增加，貫通模式由張剪復合貫通過渡為剪性貫通，而雙軸循環(huán)加卸載試驗則恰恰相反。

參考文獻

BaiSW，RenWZ，F(xiàn)engDX，etal. 1999.Failuremechanismandstrengthpropertiesofrockmasscontainingcloseintermittentjointsunderplanestresscondition[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，18(6)： 635～640．

BobetA，EinsteinHH. 1998.FractureCoalescenceinrock-typematerialsunderuniaxialandbiaxialcompression[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，35(7)： 863～888．

CenDF，HuangD. 2014.Mesoscopicdisplacementmodesofcrackpropagationofrockmassunderuniaxialcompressionwithhighstrainrate[J].JournalofChinaCoalSociety，39(3)： 436～444．

ChenM，LuWB，YanP，etal. 2014.Disturbancemechanismofblastingexcavationtoaquiferousrockcrackpropagation[J].RockandSoilMechanics，35(6)： 1555～1560．

ChenYS，LiN，LiAG，etal. 2000.Analysisonmeso-damageprocessofnon-interpenetratedjointedmediabyusingCT[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 19(6)： 702～706．

DaiSH，WangZ，MaSL，etal. 2014.Studyoncharacteristicsofcrackpropagationinstratifiedrock[J].JournalofChinaCoalSociety，39(2)： 315～321．

HanG，ZhaoQH，PengSQ. 2011.CharacteristicsandformationmechanismofrockmassdeepfracturesatdamareaoftheBaihetanhydropowerstation[J].JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition)，41(2)： 498～504．

HanG，ZhaoQH，PengSQ. 2013.Geomechanicalmodelforasymmetricdistributionofdeep-seatedcrack[J].ChinsesJournalofGeotechnicalEngineering，35(11)： 2123～2130．

HoekE. 1988.Rockslopeengineering[M].California：InstitutionofMiningandMetallurgy．

HuangKZ，LinP，TangCA，etal. 2002.Mechanismsofcrackcoalescenceofpre-existingflawsunderbiaxialcompression[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，21(6)： 808～816．

LajtaiEZ. 1969.Shearstrengthofweaknessplanesinrock[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts，6(5)： 499～515．

LiSC，LiSC，ZhuWS，etal. 2004.CTreal-timetestingstudyoneffectofwateroncrackgrowthinfracturedrockmass[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，23(21)： 3584～3590．

LiSC，LiTC，WangG，etal. 2007.CTreal-timescanningtestsonrockspecimenswithartificialinitialcrackunderuniaxialcondition[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，26(3)： 484～491．

LiYP，WangHY，ChenLZ，etal. 2004.Experimentalresearchonpre-existingcracksinmarbleundercompression[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，26(1)： 120～124．

LiYP，WangYH，XiaoSX. 2003.Interactionoffrictionalcracksinrock-likematerials[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，22(4)： 552～555．

LiuDY，ZhuKS，HuBX. 1998.Astudyonacousticemissioncharactersoffailureoffissuredrockoncompression[J].UndergroundSpace，18(4)： 210～215．

MughiedaO，Alzo’ubiAK. 2004.Fracturemechanismsofoffsetrockjoints-Alaboratoryinvestigation[J].GeotechnicalandGeologicalEngineering，22(4)： 545～562．

MughiedaO，OmarMT. 2008.Stressanalysisforrockmassfailurewithoffsetjoints[J].GeotechnicalandGeologicalEngineering，26(5)： 543～552．

ParkCH，BobetA. 2010.Crackinitiation，propagationandcoalescencefromfrictionalflawsinuniaxialcompression[J].EngineeringFractureMechanics，77(14)： 2727～2748．

SagongM，BobetA. 2002.Coalescenceofmultipleflawsinarock-modelmaterialinuniaxialcompression[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，39(2)： 229～241．

ShiF，GaoF，LiXR，etal. 2014.Modelinginitiationandpropagationofmainandsecondarycracksofrockundercombinedcompressionandshearloadingusingextendedfiniteelementmethod[J].RockandSoilMechanics，35(6)： 1809～1817．

SunGZ. 1988.Rockmassstructuremechanics[M].Beijing：SciencePress．

YangYM，JuY，MaoLT. 2014.Growthdistributionlawsandcharacterizationmethodsofcracksofcompactsandstonesubjectedtotriaxialstress[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，36(5)： 864～872．

ZhaoYL，WanW，WangWJ，etal. 2013.Fractureexperimentsoforderedmulti-crackbodyinrock-likematerialunderuniaxialcompressionandnumericalsimulationofwingcracks[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，35(11)： 2097～2109．

ZhongBB，ZhangYB，LiH. 2014.StudyofmechanismsofcrackpropagationofrockbasedonRFPA2D[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology，36(2)： 82～88．

ZhuWS，ChenWZ，ShenJ. 1998.Simulationexperimentandfracturemechanismstudyonpropagationofechelonpatterncracks[J].ActaMechanicaSolidaSinica，19(4)： 355～360．

白世偉，任偉中，豐定祥，等. 1999. 平面應力條件下閉合斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機理及強度特性[J]. 巖石力學與工程學報，18(6)： 635～640．

岑奪豐，黃達. 2014. 高應變率單軸壓縮下巖體裂隙擴展的細觀位移模式[J]. 煤炭學報，39(3)： 436～444．

陳明，盧文波，嚴鵬，等. 2014. 爆破開挖對巖體含水裂紋擴展的擾動機制[J]. 巖土力學，35(6)： 1555～1560．

陳蘊生，李寧，李愛國，等. 2000. 非貫通節(jié)理介質(zhì)細觀損傷演化CT分析[J]. 巖石力學與工程學報，19(6)： 702～706．

代樹紅，王召，馬勝利，等. 2014. 裂紋在層狀巖石中的擴展特征的研究[J]. 煤炭學報，39(2)： 315～321．

韓剛，趙其華，彭社琴. 2011. 白鶴灘水電站壩區(qū)巖體深部破裂特征及成因機制[J]. 吉林大學學報(地球科學版)，41(2)： 498～504．

韓剛，趙其華，彭社琴. 2013. 不對稱發(fā)育深卸荷地質(zhì)力學模式[J]. 巖土工程學報，35(11)： 2123～2130．

黃凱珠，林鵬，唐春安，等. 2002. 雙軸加載下斷續(xù)預置裂紋貫通機制的研究[J]. 巖石力學與工程學報，21(6)： 808～816．

李術才，李樹忱，朱維申，等. 2004. 裂隙水對節(jié)理巖體裂隙擴展影響的CT實時掃描實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 23(21)： 3584～3590．

李術才，李廷春，王剛，等. 2007. 單軸壓縮作用下內(nèi)置裂隙擴展的CT掃描試驗[J]. 巖石力學與工程學報，26(3)： 484～491．

李銀平，王元漢，陳龍珠，等. 2004. 含預制裂紋大理巖的壓剪試驗分析[J]. 巖土工程學報，26(1)： 120～124．

李銀平，王元漢，肖四喜. 2003. 巖石類材料中壓剪裂紋的相互作用分析[J]. 巖石力學與工程學報，22(4)： 552～555．

劉東燕，朱可善，胡本雄. 1998. 含裂隙巖石受壓破壞的聲發(fā)射特性研究[J]. 地下空間，18(4)： 210～215．

師訪，高峰，李璽茹，等. 2014. 模擬巖石壓剪狀態(tài)下主次裂紋萌生開裂的擴展有限元法[J]. 巖土力學，35(6)： 1809～1817．

孫廣忠. 1988. 巖體結構力學[M]. 北京：科學出版社．

楊永明，鞠揚，毛靈濤. 2014. 三軸應力下致密砂巖裂紋展布規(guī)律及表征方法[J]. 巖土工程學報，36(5)： 864～872．

趙延林，萬文，王衛(wèi)軍，等. 2013. 類巖石材料有序多裂紋體單軸壓縮破斷試驗與翼形斷裂數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學報， 35(11)： 2097～2109．

鐘波波，張永彬，李宏. 2014. 基于RFPA2D的巖石裂紋擴展模式的研究[J]. 武漢理工大學學報，36(2)： 82～88．

朱維申，陳衛(wèi)忠，申晉. 1998. 雁形裂紋擴展的模型試驗及斷裂力學機制研究[J]. 固體力學學報，19(4)： 355～360.

ROCKBRIDGECOALESCENCEMODEOFBASALT-LIKEMATERIALSWITHTWOPRE-EXISTINGFLAWSUNDERBIAXIALCYCLICCOMPRESSION

HAN Gang①YANG Fan②LIU Yu③WANG Yanning④ZHAO Xing⑤ZHAO Qihua①

Abstract(①State Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-Environment Protection(Chengdu University of Technology)，Chengdu610059)

Key wordsThe initiation, propagation and coalescence mode of flaws in basalt-like materials with two pro-existing flaws are tested under biaxial cyclic compression. The basalt-like materials contain two pre-existing flaws of 30°dip, 20mm length, and 0.3mm thickness, varied rock bridge lengths and dip angles. They are molded using similar materials. The results show that：(1)Under biaxial cyclic compression, the failure progress can be divided into wing crack initiation, wing crack propagation and secondary crack initiation, as well as rock bridge coalescence.(2)The coalescence types include shear coalescence, tensile coalescence and shear-tensile compound coalescence. Nine and eight modes can be distinguished particularly using the two experimental methods.(3)In this paper, shear coalescence under biaxial cyclic compression is more possible than that under biaxial compression. Particularly, the crush and uplift phenomenon in rock bridge only exists in biaxial cyclic compression test.(4)Rock bridge coalescence mode is prominently influenced by rock bridge length and dip. With increasing rock bridge dip, the shear coalescence mode and shear-tensile compound coalescence are more undemanding. Under biaxial compression, the shear coalescence mode is predominant accompanied with increasing rock bridge length. However, this pattern is reversed in biaxial cyclic compression test．

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.009

* 收稿日期：2015-01-08; 收到修改稿日期： 2015-03-10.

基金項目：國家自然科學基金項目(41272333)， 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2011CB013501)資助.

第一作者簡介：韓剛(1978-)，男，博士，主要從事巖石高邊坡工程方面的研究工作. Email: gang_han@126.com

中圖分類號：P642.3

文獻標識碼：A