水力耦合作用下三維中空裂隙擴(kuò)展模式與材料破壞強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

李邦翔，朱維申，楊磊，虞松，梅潔，蔡衛(wèi)兵，張強(qiáng)勇，陳云娟

?

水力耦合作用下三維中空裂隙擴(kuò)展模式與材料破壞強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

李邦翔1，朱維申1，楊磊1，虞松2，梅潔1，蔡衛(wèi)兵1，張強(qiáng)勇1，陳云娟3

(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南，250061；2. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南，250061；3. 山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南，250101)

采用透明樹脂類巖石材料制作含三維中空單裂隙試件，開展水力耦合破裂試驗(yàn)，研究三維裂隙起裂擴(kuò)展模式，分析裂隙傾角和水壓對裂隙起裂應(yīng)力及試件破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：三維中空裂隙的起裂和擴(kuò)展模式與閉合裂隙相比差異顯著，水力耦合下三維裂隙起裂擴(kuò)展模式呈現(xiàn)低水壓與高水壓2種類型，水壓升高對裂隙起裂、擴(kuò)展具有顯著的促進(jìn)作用，并改變試件的破壞模式；隨裂隙傾角增大，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度逐漸減小，魚鰭狀裂紋的萌生時間呈后延趨勢；水壓對裂隙起裂應(yīng)力和試件破壞強(qiáng)度的影響分別存在閾值，在達(dá)到閾值前，水壓升高使起裂應(yīng)力小幅度增大，而破壞強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)水壓超過閾值后，起裂應(yīng)力與破壞強(qiáng)度均迅速降低；裂隙起裂應(yīng)力和試件破壞強(qiáng)度均隨裂隙傾角增大而呈先降低后升高的趨勢，但起裂應(yīng)力的變化幅度比破壞強(qiáng)度的變化幅度更大。

三維裂隙；水力耦合；起裂擴(kuò)展模式；起裂應(yīng)力；破壞強(qiáng)度

近年來，我國隧道與地下工程建設(shè)所涉及的工程巖體大多賦存在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中。地應(yīng)力和地下水是構(gòu)成地質(zhì)環(huán)境的2個重要因素，二者共同作用、相互影響，與地下結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定緊密相關(guān)[1?2]。巖體中的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面在地應(yīng)力和地下水的耦合作用下極易發(fā)生擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖體破裂失穩(wěn)甚至垮塌，引發(fā)工程事故，造成巨大損失[3]。因此，研究水力耦合作用下巖體裂隙的擴(kuò)展演化機(jī)理，揭示巖體破壞強(qiáng)度的變化規(guī)律，對于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、保障工程建設(shè)安全具有重要的理論和實(shí)踐意義。針對裂隙水壓和應(yīng)力場作用下的裂隙擴(kuò)展問題，黃潤秋等[3?9]將裂隙簡化為二維貫穿模型，利用理論分析和數(shù)值模擬等方法開展了大量基礎(chǔ)性研究，分析了裂隙水壓對二維裂隙起裂擴(kuò)展的影響，提出了應(yīng)力場與滲流場共同作用下的裂隙起裂準(zhǔn)則，建立了裂隙尖端損傷斷裂力學(xué)模型，并探討了水力耦合作用下的裂隙擴(kuò)展機(jī)制。相對而言，工程圍巖中普遍存在的三維裂隙在水力耦合作用下的擴(kuò)展演化過程更為復(fù)雜。衡帥等[10?20]針對巖體水力壓裂問題開展了大量研究，分析了水壓裂縫在不同應(yīng)力環(huán)境下的擴(kuò)展形態(tài)，研究了天然裂隙對水壓裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。然而，圍繞水力壓裂的研究主要關(guān)注水力裂縫的萌生擴(kuò)展形態(tài)及影響因素，并未深入調(diào)查三維原生裂隙的空間擴(kuò)展演化模式及其對巖體力學(xué)特性的影響。為此，付金偉等[21]研究了內(nèi)水壓下裂隙的起裂擴(kuò)展過程，描述了次生裂紋的生長模式，并對比了2種水壓條件下試件破裂形態(tài)的異同；曹加興等[22]基于單一水壓工況下三維裂隙組的擴(kuò)展試驗(yàn)，調(diào)查了含三維裂隙組試件裂隙起裂應(yīng)力和試件破壞強(qiáng)度隨裂隙組傾角與間距的變化趨勢。目前，針對水力耦合作用下三維原生裂隙擴(kuò)展演化的研究仍較少。由于以往研究中考慮的影響因素及工況較為單一，未能充分調(diào)查不同影響因素間的交互作用，導(dǎo)致對水力耦合下三維裂隙起裂擴(kuò)展模式的認(rèn)識尚不全面，裂隙擴(kuò)展模式及材料力學(xué)特性受水壓和裂隙幾何特征影響的規(guī)律還不明確。為進(jìn)一步研究水力耦合作用下三維裂隙的起裂擴(kuò)展機(jī)理，本文作者采用透明樹脂類巖石材料開展水力耦合破裂試驗(yàn)，通過加入特種添加劑提高材料脆性度，以保障試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；研究三維中空裂隙的起裂擴(kuò)展模式，分析水壓和裂隙傾角對裂隙起裂應(yīng)力及試件破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試件制備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與試件制備

鑒于真實(shí)巖石的不透明性，內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展演化過程無法直接觀測，為此，本文選用文獻(xiàn)[23]和[24]中的透明樹脂類巖石材料制備試件。原材料抗拉與抗壓強(qiáng)度之比為1.0/6.6，與真實(shí)巖石脆性度存在一定差距。為進(jìn)一步提高材料脆性度及其與真實(shí)巖石力學(xué)性質(zhì)的相似度，對原有配方進(jìn)行改進(jìn)，通過向樹脂與固化劑的混合物中加入適量特種添加劑，改變分子接觸類型，弱化樹脂分子間的膠結(jié)程度，以降低材料的抗拉強(qiáng)度。改進(jìn)后的材料在?45 ℃環(huán)境下抗拉與抗壓強(qiáng)度比可達(dá)1.00/9.98，與大理巖、砂巖等典型巖石的抗拉與抗壓強(qiáng)度比[25]接近，且透明度極高。改進(jìn)后的樹脂與典型巖石的力學(xué)參數(shù)對比見表1。

表1 改進(jìn)型樹脂材料與典型巖石[25]抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度對比

試驗(yàn)采用的試件長×寬×高為70 mm×70 mm×140 mm。為研究水力耦合作用下三維裂隙的起裂擴(kuò)展模式，在試件中心處預(yù)置三維中空橢圓形裂隙。裂隙長軸長度×短軸長度為20 mm×15 mm，厚度為1.8 mm。中空裂隙由云母片、墊圈及注水管黏制而成，內(nèi)部形成注水空腔，試驗(yàn)中可通過注水管向裂隙內(nèi)部施加水壓[21]。對于無水工況，不設(shè)置注水管，形成封閉的中空裂隙。試件和中空裂隙的尺寸與結(jié)構(gòu)如圖1所示(其中，為裂隙傾角)。

數(shù)據(jù)單位：mm

為研究裂隙傾角和水壓對三維裂隙起裂擴(kuò)展模式及試件破壞強(qiáng)度的影響，將裂隙傾角設(shè)為30°，45°，60°和75°，每種傾角試件對應(yīng)4種水壓：0 (無水壓)，0.5，2.0和4.0 MPa。為降低測試數(shù)據(jù)離散性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在同一工況下制備3個試件(共計(jì)48個試件)，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析。

試驗(yàn)中采用澆筑法制備含裂隙試件，首先將內(nèi)置裂隙按照設(shè)定的位置和角度固定于模具中，再將攪拌均勻的樹脂材料混合物倒入模具，經(jīng)真空除泡、恒溫固化、烘焙成形、低溫冷凍等一系列工序后得到不同工況對應(yīng)的試件，以備測試。

1.2 試驗(yàn)方法

鑒于水力耦合作用下含三維裂隙巖體破裂試驗(yàn)難度較大，因此，本文選擇單軸荷載條件下水力耦合巖體破裂試驗(yàn)作為研究起點(diǎn)。試驗(yàn)中，采用WAW-1000C型電液伺服試驗(yàn)機(jī)施加軸向荷載，同時利用伺服控制高壓注水裝置向裂隙內(nèi)提供穩(wěn)定水壓。試驗(yàn)開始時，首先對試件施加1 kN軸向荷載，使試件上表面與注水墊塊緊密貼合，然后施加裂隙水壓至目標(biāo)值并保持恒定，最后施加軸向壓縮荷載直至試件破壞。

為保證試驗(yàn)期間試件保持較高的脆性，試驗(yàn)前先將試件置于超低溫冰柜中冷凍至?45 ℃，取出后放入自行設(shè)計(jì)制作的低溫環(huán)境箱中進(jìn)行試驗(yàn)。低溫箱內(nèi)放置大量干冰，可將試驗(yàn)區(qū)溫度保持在?40 ℃左右，有效避免環(huán)境溫度升高對試件脆性的影響。試驗(yàn)期間采用紅外測溫儀實(shí)時監(jiān)測試件表面溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件溫度輕微上升時，通過增補(bǔ)干冰方法使環(huán)境溫度再度降低至設(shè)定值。

對于含水壓工況的試件，冷凍前需向注水管與中空裂隙內(nèi)注水，并摻入防凍劑。經(jīng)測試，摻入防凍劑后所注液體的冰點(diǎn)約為?52 ℃，可避免其在低溫下凍結(jié)，確保裂隙水按設(shè)定壓力順利注入中空裂隙內(nèi)部。加載時，為便于觀測裂隙的擴(kuò)展演化過程，在所注水中添加紅色染色劑，以凸顯裂隙的擴(kuò)展路徑。

在保證材料與巖體力學(xué)特性相似性和液體流動性的前提下，裂隙水壓力能有效傳遞至裂隙周邊應(yīng)力場，因此，可以較好地模擬巖體破裂行為。

2 水力耦合下三維裂隙起裂和擴(kuò)展模式

基于不同類型含裂隙試件，開展水力耦合巖體破裂試驗(yàn)，研究三維中空裂隙起裂擴(kuò)展基本特征，對比不同水壓下裂隙起裂擴(kuò)展特征，分析水壓與裂隙傾角對裂隙擴(kuò)展的影響機(jī)制。

2.1 三維裂隙起裂和擴(kuò)展的基本特征

在水力耦合巖體破裂試驗(yàn)中，荷載增大導(dǎo)致原生裂隙周圍萌生出不同類型的新裂紋[26]。為便于分析，按照新生裂紋的萌生位置和擴(kuò)展形態(tài)對其命名，并對各類型新生裂紋起裂擴(kuò)展的基本特征進(jìn)行分析，如圖2所示。

由圖2可知：翼裂紋萌生在預(yù)置裂隙長軸端點(diǎn)處，起裂方向與預(yù)置裂隙面近似垂直；隨著荷載增大，在長度方向上，翼裂紋以卷曲面的形式逐漸轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向；在寬度方向上，翼裂紋沿預(yù)置裂隙邊緣以圓弧形式由長軸端點(diǎn)向短軸端點(diǎn)擴(kuò)展，形成花瓣形翼裂紋；當(dāng)花瓣形翼裂紋在寬度方向上接近擴(kuò)展至預(yù)置裂隙短軸端點(diǎn)時，形成包裹式翼裂紋。

(a) 裂紋萌生階段; (b) 裂紋擴(kuò)展階段

花斑狀裂紋在預(yù)置裂隙邊緣處萌生，萌生位置緊靠翼裂紋沿寬度方向擴(kuò)展的前緣，其走向與預(yù)置裂隙邊緣呈較小夾角。由于與翼裂紋位置接近，且尺寸較小，花斑狀裂紋會誘導(dǎo)翼裂紋進(jìn)一步沿寬度方向擴(kuò)展并被吞并，成為翼裂紋的一部分。

魚鰭狀裂紋在預(yù)置裂隙上、下表面萌生，其擴(kuò)展方向與預(yù)置裂隙上、下表面近似垂直，其走向大體沿預(yù)置裂隙長軸方向，自萌生至擴(kuò)展到一定長度幾乎在一瞬間完成。魚鰭狀裂紋的萌生擴(kuò)展在一定程度上降低了翼裂紋的擴(kuò)展速度。

2.2 三維裂隙起裂和擴(kuò)展模式及水壓影響

2.2.1 無水條件下裂隙的起裂和擴(kuò)展模式

為便于對比分析，明確裂隙水對三維裂隙起裂擴(kuò)展模式的影響，首先開展無水(不注水)條件下的單軸壓縮巖體破裂試驗(yàn)。在軸壓荷載作用下，本文三維中空裂隙的起裂擴(kuò)展模式與文獻(xiàn)[23]中閉合裂隙的相似。無水條件下的三維裂隙起裂和擴(kuò)展形態(tài)如圖3所示。由圖3可知：裂隙長軸端點(diǎn)處首先萌生翼裂紋，翼裂紋隨荷載增大逐漸生長成花瓣形翼裂紋；同時，花斑狀裂紋不斷萌生并被翼裂紋吞并，形成包裹式翼裂紋。

(a) 起裂階段；(b) 穩(wěn)定擴(kuò)展階段；(c) 臨界擴(kuò)展階段

中空裂隙的起裂擴(kuò)展模式與閉合裂隙也存在顯著差異。在翼裂紋擴(kuò)展期間，中空裂隙上、下表面會萌生魚鰭狀裂紋，而閉合裂隙擴(kuò)展時未觀測到魚鰭狀裂紋。此外，對于閉合裂隙，翼裂紋萌生后持續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件發(fā)生劈裂破壞[23]；而對于中空裂隙，翼裂紋達(dá)到臨界擴(kuò)展長度后停止擴(kuò)展，難以直接導(dǎo)致試件破壞，這與DYSKIN等[27?28]提出的三維裂隙翼裂紋擴(kuò)展的“自限制”作用相符。由于閉合裂隙在軸向荷載作用下與裂隙上、下表面緊密貼合，無法向裂隙內(nèi)部注入高壓水，只能開展純外荷載環(huán)境下的裂隙擴(kuò)展研究，因此，中空裂隙與閉合裂隙起裂擴(kuò)展模式的對比研究僅限于無水工況下的裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)。

分析認(rèn)為，魚鰭狀裂紋的萌生與中空裂隙內(nèi)部空腔有關(guān)。隨著軸壓增大，裂隙上、下表面逐漸向空腔內(nèi)彎曲變形，使得上、下表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，其中，沿裂隙長軸的撓度和拉應(yīng)力最大。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度時，裂隙表面沿長軸方向發(fā)生脆性斷裂，瞬間產(chǎn)生魚鰭狀裂紋。魚鰭狀裂紋的萌生在一定程度上降低了裂隙周邊的應(yīng)力集中程度，減緩了翼裂紋的擴(kuò)展速度，同時由于試件相對裂隙尺寸較大，裂隙周圍介質(zhì)對翼裂紋擴(kuò)展的“自限制”作用顯著，導(dǎo)致翼裂紋達(dá)到臨界長度后難以繼續(xù)擴(kuò)展。

2.2.2 不同水壓下裂隙的起裂擴(kuò)展模式

在水力耦合作用下，三維裂隙的起裂擴(kuò)展模式與無水情況下的相比存在顯著差異，且差異程度與水壓直接相關(guān)。在試驗(yàn)選取的水壓范圍內(nèi)，三維裂隙的起裂擴(kuò)展模式大致分為2種類型：即低水壓類型和高水壓類型。

以0.5 MPa水壓為例，低水壓類型的三維裂隙起裂擴(kuò)展模式如圖4所示。由圖4可見：當(dāng)軸向荷載達(dá)到試件破壞強(qiáng)度的35%左右時，在預(yù)置裂隙長軸端點(diǎn)處首先萌生多個細(xì)小裂紋，標(biāo)志著裂隙起裂。隨著荷載增大，細(xì)小裂紋逐漸合并為完整翼裂紋，同時含壓水侵入新生翼裂紋內(nèi)部，驅(qū)使其穩(wěn)定擴(kuò)展并形成花瓣形翼裂紋。在翼裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展期間，魚鰭狀裂紋在預(yù)置裂隙上、下表面相繼產(chǎn)生。當(dāng)軸向荷載增大至試件破壞強(qiáng)度的80%左右時，翼裂紋擴(kuò)展至臨界擴(kuò)展長度，形成包裹式翼裂紋，并停止擴(kuò)展。當(dāng)軸向荷載持續(xù)增大并接近試件破壞強(qiáng)度時，試件內(nèi)其他區(qū)域形成宏觀破裂面，與翼裂紋、魚鰭狀裂紋搭接貫通，共同導(dǎo)致試件發(fā)生整體破壞，喪失承載能力。

以4 MPa水壓為例，高水壓下裂隙的起裂擴(kuò)展模式如圖5所示。由圖5可見：翼裂紋萌生所需荷載同樣約為試件破壞強(qiáng)度的35%，但高水壓下試件的破壞強(qiáng)度大幅度降低，導(dǎo)致翼裂紋萌生所需的軸向荷載比低水壓類型的低。高水壓與軸向荷載促使翼裂紋瞬時萌生并迅速擴(kuò)展為花瓣形翼裂紋，經(jīng)穩(wěn)定擴(kuò)展形成包裹式翼裂紋；當(dāng)荷載達(dá)試件破壞強(qiáng)度的85%時，包裹式翼裂紋短暫停止擴(kuò)展，隨后在軸向荷載與高水壓驅(qū)動下進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，快速生長成為豎向大破裂面，并迅速擴(kuò)展至試件表面，導(dǎo)致試件發(fā)生劈裂破壞。

(a) 裂隙起裂階段，正視圖；(b) 裂隙起裂階段，側(cè)視圖；(c) 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，正視圖；(d) 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，側(cè)視圖；(e) 裂隙達(dá)到臨界擴(kuò)展長度，正視圖；(f) 裂隙達(dá)到臨界擴(kuò)展長度，側(cè)視圖；

另外，高水壓下裂隙的起裂擴(kuò)展過程通常呈現(xiàn)明顯的非對稱性。翼裂紋在預(yù)置裂隙長軸一端萌生后即迅速擴(kuò)展，在一定程度上緩解了另一端點(diǎn)處的應(yīng)力集中，推遲了另一端翼裂紋的萌生。當(dāng)翼裂紋達(dá)到臨界擴(kuò)展長度后，一端的翼裂紋首先進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，并形成豎向大破裂面。

(a) 裂隙起裂階段，正視圖；(b) 裂隙起裂階段，側(cè)視圖；(c) 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，正視圖；(d) 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，側(cè)視圖；(e) 裂隙失穩(wěn)階段，正視圖；(f) 裂隙失穩(wěn)階段，側(cè)視圖；

2.2.3 水壓對裂隙起裂擴(kuò)展模式的影響

水壓對三維裂隙的起裂擴(kuò)展模式產(chǎn)生不同程度的影響。綜合分析不同水壓條件下的三維裂隙起裂擴(kuò)展模式可知，水壓的影響主要表現(xiàn)在4個方面：對花斑狀裂紋萌生的抑制作用、對魚鰭狀裂紋萌生時間的影響、對裂隙起裂擴(kuò)展的促進(jìn)作用以及對試件最終破壞模式的影響。

1) 水壓抑制花斑狀裂紋的萌生。在無水條件下，翼裂紋萌生擴(kuò)展階段均會頻繁萌生花斑狀裂紋，如圖6所示。而在水壓作用下難以觀察到花斑狀裂紋，這是因?yàn)榛ò郀盍鸭y是由于壓剪作用下材料與預(yù)置裂隙面間摩擦力分布不均勻而產(chǎn)生的，摩擦力分布不均勻使裂隙面局部產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料破壞強(qiáng)度后，花斑狀裂紋萌生。而當(dāng)裂隙水存在時，其潤滑作用以及對裂隙面的支撐作用有效緩解了裂隙面與材料間摩擦力分布不均勻的情況，使得花斑狀裂紋難以產(chǎn)生。此外，花斑狀裂紋的萌生使得翼裂紋的擴(kuò)展軌跡發(fā)生改變。在無水條件下，花斑狀裂紋大量萌生，誘導(dǎo)翼裂紋始終沿預(yù)置裂隙邊緣擴(kuò)展。當(dāng)裂隙水壓存在時，花斑狀裂紋難以萌生，翼裂紋沿寬度方向擴(kuò)展時前緣在一定程度上脫離了預(yù)置裂隙邊緣(見圖4(c))。

(a) 三維閉合裂隙；(b) 三維張開裂隙

2) 水壓增大使魚鰭狀裂紋的萌生時間推遲。在無水或低水壓條件下，魚鰭狀裂紋在預(yù)置裂隙上、下表面迅速萌生，而隨著水壓增大，其萌生時間有后延趨勢，當(dāng)水壓增大到4 MPa時，魚鰭狀裂紋基本不再萌生(見圖5)。這是因?yàn)榱严端畨阂欢ǔ潭壬系窒酥锌樟严侗砻娉惺艿暮奢d，減小了上、下表面的撓度變形和拉應(yīng)力集中，進(jìn)而提高了魚鰭狀裂紋萌生所需的軸向荷載水平，導(dǎo)致其萌生難度增大。

3) 水壓對裂隙的起裂擴(kuò)展具有明顯的促進(jìn)作用。在無水和低水壓條件下，預(yù)置裂隙尖端細(xì)小裂紋合并組成翼裂紋的過程相對緩慢，而隨著水壓增大，翼裂紋的萌生擴(kuò)展過程逐漸加快；當(dāng)水壓增至4 MPa時，其擴(kuò)展幾乎瞬間完成。此外，水壓增大提高了翼裂紋的擴(kuò)展程度，使其臨界擴(kuò)展長度持續(xù)增大。水壓對翼裂紋臨界擴(kuò)展長度的影響如圖7所示。以30°傾角裂隙為例，不同水壓下翼裂紋臨界擴(kuò)展長度見圖8。由圖8可知：當(dāng)水壓由0 MPa增大至2 MPa時，翼裂紋的臨界擴(kuò)展長度由6 mm增大至15 mm；而當(dāng)水壓升至4 MPa時，翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致試件劈裂破壞，此時不存在臨界擴(kuò)展長度。通常來說，在無水或低水壓條件下，三維裂隙擴(kuò)展的“自限制”作用使翼裂紋存在臨界擴(kuò)展長度[26?27]，而水壓增大加劇了翼裂紋擴(kuò)展前緣處的法向擴(kuò)張效應(yīng)，促進(jìn)了擴(kuò)展前緣張拉斷裂的發(fā)生，有效克服了該“自限制”作用，使其臨界擴(kuò)展長度增大。

裂隙傾角/(°)：1—30；2—45；3—60；4—75。

水壓/MPa：(a) 0；(b) 2

4) 水壓對試件的最終破壞模式具有顯著影響。高、低水壓對應(yīng)的試件破壞模式如圖9所示。從圖9可見：在無水或較低水壓條件下，翼裂紋達(dá)到臨界擴(kuò)展長度后停止擴(kuò)展，當(dāng)外荷載增大至材料極限承載能力時試件內(nèi)部產(chǎn)生宏觀破裂面，與翼裂紋、魚鰭狀裂紋搭接貫通，導(dǎo)致試件整體破裂。而在高水壓條件下，翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展并貫通至試件表面，形成豎向大破裂面，從而導(dǎo)致試件發(fā)生劈裂破壞。

(a) 低水壓情況；(b) 高水壓情況

2.3 傾角對裂隙起裂擴(kuò)展模式的影響

三維裂隙起裂擴(kuò)展模式不僅受水壓影響，還與裂隙傾角有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，裂隙傾角對起裂擴(kuò)展模式的影響主要表現(xiàn)在2個方面即翼裂紋臨界擴(kuò)展長度和魚鰭狀裂紋的萌生時間。

裂隙傾角對翼裂紋臨界擴(kuò)展長度的影響見圖10。由圖10可見：隨著傾角增大，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度逐漸減小。以0.5 MPa水壓情況為例，裂隙傾角對翼裂紋臨界擴(kuò)展長度的影響見圖11。由圖11可見：當(dāng)裂隙傾角為30°時，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度約為7.0 mm，45°裂隙的翼裂紋臨界擴(kuò)展長度相對30°裂隙的稍小，約為6.8 mm，當(dāng)裂隙傾角增大至60°時，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度減小到4.2 mm，而裂隙傾角為75°時，翼裂紋在萌生后即停止擴(kuò)展，低于1.0 mm。經(jīng)初步分析認(rèn)為，隨著裂隙傾角增大，翼裂紋的起裂方向逐漸偏向水平，周邊介質(zhì)對翼裂紋擴(kuò)展的“自限制”作用得以增強(qiáng)，同時在軸向壓縮荷載作用下，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度逐漸減小。

水壓/MPa：1—0；2—0.5；3—2.0。

裂隙傾角/(°)：(a) 30；(b) 45；(c) 60；(d) 75

數(shù)據(jù)單位：mm

圖11 不同傾角裂隙對應(yīng)的翼裂紋臨界擴(kuò)展長度

Fig. 11 Critical growth lengths of wing cracks corresponding to different crack dip angles

另一方面，裂隙傾角增大導(dǎo)致魚鰭狀裂紋的萌生時間呈現(xiàn)后延趨勢。當(dāng)傾角為30°時，魚鰭狀裂紋在翼裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段萌生；當(dāng)傾角為45°時，魚鰭狀裂紋在翼裂紋達(dá)到臨界擴(kuò)展長度前后萌生，而傾角增大至60°或75°時，魚鰭狀裂紋的萌生時間持續(xù)后延，甚至不再出現(xiàn)。隨裂隙傾角的增大，軸向荷載作用在裂隙面法向的分量減小，中空裂隙上、下表面向內(nèi)部的變形量降低，從而使得魚鰭狀裂紋萌生難度增大，萌生時間后延。

3 含三維中空裂隙起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度

為進(jìn)一步明確水力耦合條件下含三維裂隙巖體的破裂機(jī)理，揭示裂隙起裂應(yīng)力與巖體破壞強(qiáng)度變化規(guī)律，本文基于試驗(yàn)結(jié)果分析水壓與裂隙傾角對裂隙起裂應(yīng)力和試件破壞強(qiáng)度的影響。

3.1 水壓對裂隙起裂應(yīng)力和破壞強(qiáng)度的影響

3.1.1 水壓對裂隙起裂應(yīng)力的影響

水壓的存在在很大程度上改變了裂隙前緣及周圍區(qū)域的應(yīng)力場分布特征，進(jìn)而對裂隙的起裂應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響。由于樹脂材料透明度極高，可直接觀測到裂隙起裂時尖端產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，因此，本次試驗(yàn)主要通過近距離觀察及試件受力變形特征分析等綜合方法來確定裂隙起裂應(yīng)力。裂隙起裂應(yīng)力隨水壓的變化規(guī)律如圖12所示(圖中參數(shù)值取3個試件測試結(jié)果的平均值)。由圖12可見：對于傾角為30°，45°和60°的裂隙，水壓在較小范圍內(nèi)升高會導(dǎo)致起裂應(yīng)力略有增大，而當(dāng)水壓超過某閾值后，起裂應(yīng)力大幅降低，且不同傾角裂隙對應(yīng)的水壓閾值存在差異性；對于75°裂隙，在無水條件下試件發(fā)生整體破裂，裂隙起裂現(xiàn)象不明顯，因此，不存在明確的起裂應(yīng)力；而在有水條件下，水壓升高促使裂隙起裂并導(dǎo)致起裂應(yīng)力迅速降低。

裂隙傾角/(°)：1—30；2—45；3—60；4—75。

水力耦合作用下三維中空裂隙的起裂擴(kuò)展受力分析如圖13所示。經(jīng)分析認(rèn)為，水力耦合作用下三維裂隙前緣翼裂紋的萌生主要由張拉和剪切應(yīng)力共同導(dǎo)致。軸向壓縮荷載1在裂隙面方向可分解為法向正應(yīng)力n和切應(yīng)力。n使得中空裂隙擠壓變形，導(dǎo)致裂隙前緣產(chǎn)生剪切力s，而切應(yīng)力促使裂隙上、下表面相互錯動，在裂隙前緣產(chǎn)生張拉力，剪切s與張拉力導(dǎo)致裂隙尖端單元體產(chǎn)生沿預(yù)置裂隙面法線方向的剪切力f與沿切線方向的張拉應(yīng)力t。裂隙水壓w對裂隙上、下表面以及側(cè)面均產(chǎn)生擴(kuò)張效應(yīng)，在裂隙面上、下表面法線方向上，削弱軸壓荷載對裂隙面的擠壓作用；在裂隙側(cè)面上，使單元體產(chǎn)生沿垂直于裂隙長軸方向的拉應(yīng)力m。

圖13 水力耦合作用下三維中空裂隙的起裂擴(kuò)展受力分析

在無水條件下，裂隙前緣單元體處于拉剪狀態(tài)，容易誘發(fā)拉?剪復(fù)合斷裂。在低水壓條件下，w部分抵消了軸壓荷載對裂隙面的擠壓作用，裂隙前緣剪切力s降低，從而抑制了剪切斷裂的發(fā)生，而較低的水壓對單元體產(chǎn)生的拉應(yīng)力m較小，綜合導(dǎo)致裂隙的起裂應(yīng)力有所提高。而當(dāng)水壓增大至閾值后，較高的水壓雖抑制了剪切斷裂，但單元體產(chǎn)生的拉應(yīng)力m也顯著增大，極易發(fā)生張拉斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙起裂應(yīng)力大幅度降低。由此可見，隨著水壓增大，翼裂紋萌生過程中張拉斷裂的貢獻(xiàn)增強(qiáng)。

此外，試驗(yàn)結(jié)果表明水壓閾值隨裂隙傾角增大 而呈減小趨勢。對于傾角為30°和45°的裂隙，水 壓閾值為2~4 MPa，而60°裂隙的水壓閾值為0.5~ 2.0 MPa。

3.1.2 水壓對試件破壞強(qiáng)度的影響

水壓對試件破壞強(qiáng)度的影響如圖14所示。由圖14可知：水壓變化對試件的整體破壞強(qiáng)度影響顯著；試件破壞強(qiáng)度隨水壓升高而逐漸降低；在低水壓情況下，試件破壞強(qiáng)度隨水壓升高下降趨勢相對較緩，而在高水壓下，試件破壞強(qiáng)度迅速降低。

在低水壓范圍內(nèi)，翼裂紋的臨界擴(kuò)展長度隨水壓升高而增長的幅度，導(dǎo)致試件破壞強(qiáng)度下降較緩。在高水壓范圍內(nèi)，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度隨水壓增大而顯著增大，極易誘發(fā)試件劈裂破壞，使得試件的破壞強(qiáng)度大幅降低。經(jīng)分析認(rèn)為，水壓對試件破壞強(qiáng)度的影響同樣存在1個閾值，當(dāng)超過此閾值時，高水壓驅(qū)動翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致試件破壞強(qiáng)度大幅度降低。

裂隙傾角/(°)：1—30；2—45；3—60；4—75。

3.2 裂隙傾角對裂隙起裂應(yīng)力及破壞強(qiáng)度的影響

3.2.1 裂隙傾角對試件起裂應(yīng)力的影響

裂隙傾角的改變控制著裂隙周邊的應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而影響裂隙的起裂應(yīng)力。裂隙傾角對裂隙起裂應(yīng)力的影響規(guī)律如圖15所示。由圖15可見：不同水壓下裂隙起裂應(yīng)力隨傾角增大均呈現(xiàn)先降后升的趨勢，其中45°裂隙起裂應(yīng)力最低。以0.5 MPa水壓工況為例，當(dāng)裂隙傾角為45°時，起裂應(yīng)力約為破壞強(qiáng)度的32.8%；而30°裂隙的起裂應(yīng)力與45°裂隙的相比稍高，約為破壞強(qiáng)度的39.5%；60°和75°裂隙的起裂應(yīng)力則大幅度提升，分別為破壞強(qiáng)度的50.3%和68.4%。此外，75°裂隙在無水壓條件下的起裂現(xiàn)象不明顯，因此，圖15中未標(biāo)記其起裂應(yīng)力。

水壓/MPa：1—0；2—0.5；3—2.0；4—4.0。

在軸壓條件下，試件破斷角為=/4+/2(其中，為材料內(nèi)摩擦角)[29]。當(dāng)裂隙傾角與破斷角接近時，裂隙尖端極易發(fā)生斷裂，起裂應(yīng)力大大降低；而在裂隙水壓條件下，裂隙面作用有法向擴(kuò)張應(yīng)力，且其大小與裂隙傾角無關(guān)。本文透明樹脂材料破斷角為45°~ 50°，故45°裂隙的起裂應(yīng)力最低，且不隨水壓發(fā)生 改變。

裂隙傾角對起裂應(yīng)力的影響規(guī)律與翼裂紋的擴(kuò)展程度密切相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于30°與45°裂隙的起裂應(yīng)力較低，翼裂紋萌生后可充分?jǐn)U展，因此，其翼裂紋臨界擴(kuò)展長度較大。而60°與75°裂隙的起裂應(yīng)力較高，翼裂紋萌生后試件很快達(dá)到破壞強(qiáng)度，因此，其翼裂紋臨界擴(kuò)展長度相對較小。

3.2.2 裂隙傾角對試件破壞強(qiáng)度的影響

裂隙傾角對破壞強(qiáng)度的影響如圖16所示。由圖16可見：裂隙傾角對試件破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律與起裂應(yīng)力的類似；在各水壓條件下，試件的破壞強(qiáng)度隨裂隙傾角增大而呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。其中，45°裂隙試件的破壞強(qiáng)度最低，75°裂隙試件的破壞強(qiáng)度最高。

水壓/MPa：1—0；2—0.5；3—2.0；4—4.0。

在無水或低水壓條件下，不同裂隙傾角下試件的破壞強(qiáng)度相差較小。這是因?yàn)樵跓o水或低水壓下，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度隨傾角增大而減小的程度有限，不同裂隙傾角下試件的破壞模式為整體破壞，因此，其破壞強(qiáng)度變化幅度不大，但由于45°裂隙最先起裂，對材料承載能力的弱化程度更大，導(dǎo)致45°裂隙試件的最終破壞強(qiáng)度最低。而在高水壓條件下，高壓水驅(qū)動翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致30°，45°和60°裂隙試件發(fā)生劈裂破壞，三者破壞強(qiáng)度較接近，而75°裂隙試件的破壞模式依然為整體破壞，破壞強(qiáng)度比其他3種裂隙試件的高。

經(jīng)綜合分析認(rèn)為，裂隙起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度受裂隙傾角影響的變化規(guī)律基本一致，表明對于含三維裂隙的脆性類巖石材料，其起裂與最終破壞條件密切相關(guān)。此外，在本文研究的傾角范圍內(nèi)，起裂應(yīng)力的變化幅度比破壞強(qiáng)度的變化幅度更大。雖然45°裂隙的起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度最低，但自裂隙起裂至最終試件破裂經(jīng)歷了較長的加載過程，可以看作是延性破壞，而75°裂隙的起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度最高，但自裂隙起裂至試件破壞經(jīng)歷的加載過程則較短，屬于脆性破壞。

4 結(jié)論

1) 壓剪作用下材料與預(yù)置裂隙面之間摩擦力分布不均勻是導(dǎo)致花斑狀裂紋萌生的主要原因，而魚鰭狀裂隙的萌生擴(kuò)展主要與中空裂隙內(nèi)部空腔有關(guān)；當(dāng)裂隙水存在時，其潤滑作用以及對裂隙面的支撐作用可以有效抑制花斑狀裂紋萌生，并推遲魚鰭狀裂紋的萌生時間。

2) 水力耦合下三維裂隙起裂擴(kuò)展模式呈現(xiàn)低水壓與高水壓2種主要類型。在低水壓下，翼裂紋存在臨界擴(kuò)展長度，試件的破壞模式為整體破壞；在高水壓下，翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致試件劈裂破壞。此外，隨著裂隙傾角增大，翼裂紋臨界擴(kuò)展長度逐漸減小，魚鰭狀裂紋的萌生時間呈后延趨勢。

3) 水壓對三維中空裂隙起裂應(yīng)力及試件破壞強(qiáng)度的影響皆存在閾值。在達(dá)到閾值前，隨著水壓升高，起裂應(yīng)力略有增大，裂隙起裂相比無水條件下更困難，而試件破壞強(qiáng)度小幅度降低；當(dāng)超過閾值后，起裂應(yīng)力與破壞強(qiáng)度均迅速降低。

4) 裂隙傾角對三維裂隙起裂應(yīng)力和試件破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律類似，二者均隨傾角增大而呈先降低后升高的趨勢，但起裂應(yīng)力的變化幅度較破壞強(qiáng)度的更大；45°裂隙的起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度最低，自裂隙起裂至最終破壞試件經(jīng)歷了較長的加載過程，屬于延性破壞，而75°裂隙的起裂應(yīng)力與試件破壞強(qiáng)度最高，屬于脆性破壞。

[1] 劉泉聲, 劉學(xué)偉. 多場耦合作用下巖體裂隙擴(kuò)展演化關(guān)鍵問題研究[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(2): 305?320. LIU Quansheng, LIU Xuewei. Research on critical problem for fracture network propagation and evolution with multified coupling of fractured rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(2): 305?320.

[2] LATHAM J P, XIANG J, BELAYNEH M, et al. Modelling stress-dependent permeability in fractured rock including effects of propagating and bending fractures[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2013, 57(1): 100?112.

[3] 黃潤秋, 王賢能, 陳龍生. 深埋隧道涌水過程的水力劈裂作用分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2000, 19(5): 573?576. HUANG Runqiu, WANG Xianneng, CHEN Longsheng. Hydro-splitting of analysis of underground water in deep-lying tunnels and its effect on water gushing out[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(5): 573?576.

[4] 李夕兵, 賀顯群, 陳紅江. 滲透水壓作用下類巖石材料張開型裂紋啟裂特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(7): 1317?1324. LI Xibing, HE Xianqun, CHEN Hongjiang. Crack initiation characteristics of opening-mode crack embedded in rock-like material under seepage pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(7): 1317?1324.

[5] CAPPA F, GUGLIELMI Y, FENART P, et al. Hydro-mechanical interactions in a fractured carbonate reservoir inferred from hydraulic and mechanical measurements[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 42(2): 287?306.

[6] 李宗利, 張宏朝, 任青文, 等. 巖石裂紋水力劈裂分析與臨界水壓計(jì)算[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(8): 1216?1220. LI Zongli, ZHANG Hongchao, REN Qingwen, et al. Analysis of hydraulic fracturing and calculation of critical internal water pressure of rock fracture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(8): 1216?1220.

[7] 蒲成志, 曹平, 張春陽, 等. 雙向壓縮條件下閉合裂隙巖體斷裂破壞機(jī)制及滲透壓環(huán)境判定準(zhǔn)則[J]. 巖土力學(xué), 2015, 36(1): 56?60, 67. PU Chengzhi, CAO Ping, ZHANG Chunyang, et al. Fracture failure mechanism of rock with closed crack and judging criterion of seepage pressure under biaxial compression[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 56?60, 67.

[8] 趙延林, 彭青陽, 萬文, 等. 高水壓下巖體裂紋擴(kuò)展的滲流?斷裂耦合機(jī)制與數(shù)值實(shí)現(xiàn)[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(2): 556?564. ZHAO Yanlin, PENG Qingyang, WAN Wen, et al. Seepage-fracture coupling mechanism of rock masses cracking propagation under high hydraulic pressure and numerical verification[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(2): 556?564.

[9] ZHAO Yanlin, WANG Wenjun. Wing crack propagation model under high hydraulic pressure in compressive-shear stress state[J]. Journal of Coal Science & Engineering, 2011, 17(1): 34?38.

[10] 衡帥, 楊春和, 曾義金, 等. 頁巖水力壓裂裂縫形態(tài)的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2014, 36(7): 1243?1251. HENG Shuai, YANG Chunhe, ZENG Yijin, et al. Experimental study on hydraulic fracture geometry of shale[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(7): 1243?1251.

[11] 潘林華, 程禮軍, 張士誠, 等. 頁巖儲層體積壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué), 2015, 36(1): 205?211. PAN Linhua, CHENG Lijun, ZHANG Shicheng, et al. Mechanism of fracture propagation via numerical stimulation of reservoir volume fracture in shale reservoirs[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 205?211.

[12] 周健, 陳勉, 金衍, 等. 裂縫性儲層水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理試驗(yàn)研究[J]. 石油學(xué)報, 2007, 28(5): 109?113. ZHOU Jian, CHEN Mian, JIN Yan, et al. Experimental study on propagation mechanism of hydraulic fracture in naturally fractured reservoir[J]. Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(5): 109? 113.

[13] VAN DAM D B, PAPANASTASIOU P, DE?PATER C J. .Impact of rock plasticity on hydraulic fracture propagation and closure[J]. SPE Production & Facilities, 2002, 17(3): 149?159.

[14] NORDGREN R P. Propagation of a vertical hydraulic fracture[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1972, 12(4): 306?314.

[15] GU Hongren, WENG Xiaowei. Criterion for fractures crossing frictional interfaces at non-orthogonal angles[C]//44th U.S. rock mechanics symposium and 5th U.S.-Canada rock mechanics symposium. Salt Lake City, USA: American Rock Mechanics Association , 2010: 27?30.

[16] GU Hongren, WENG Xiaowei, LUND J, et al. Hydraulic fracture crossing natural fracture at nonorthogonal angles: a criterion and its validation[J]. SPE Production & Operations, 2012, 27(1): 20?26.

[17] RENSHAW C E, POLLARD D D. An experimentally verified criterion for propagation across unbounded frictional interfaces in brittle, linear elastic materials[J]. Rock Mechanics and Mining Sciences, 1995, 32(3): 237?249.

[18] BUNGER A P, KEAR J, JEFFREY R G, et al. Investigation of hydraulic fracture growth through weak discontinuities with active ultrasound monitoring[J]. CIM Journal, 2016,7(3): 165-177.

[19] WEI F, AMES B C, BUNGER A P, et al. Impact of partially cemented and non-persistent natural fractures on hydraulic fracture propagation[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(11): 1?8.

[20] 楊勇, 楊永明, 馬收, 等. 低滲透巖石水力壓力裂紋擴(kuò)展的CT掃描[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2013, 30(5): 739?743. YANG Yong, YANG Yongming, MA Shou, et al. Crack propagation induced by hydraulic fracturing in low permeability rocks using CT technology[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2013, 30(5): 739?743.

[21] 付金偉, 朱維申, 張新中, 等. 內(nèi)水壓下含中空裂隙新型材料的壓裂試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J]. 工程科學(xué)與技術(shù), 2017, 49(4): 78?85. FU Jinwei, ZHU Weishen, ZHANG Xinzhong, et al. Fracturing experiment and numerical simulation study on new material containing a hollow internal crack under internal water pressure[J]. Advanced Engineering Sciences, 2017, 49(4): 78?85.

[22] 曹加興, 朱珍德, 田源, 等. 水壓作用下三維裂隙組擴(kuò)展過程試驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2017, 17(4): 92?98. CAO Jiaxing, ZHU Zhende, TIAN Yuan, et al. The experimental study of propagation progress of 3D crack-sets under hydraulic pressure[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(4): 92?98.

[23] 付金偉, 朱維申, 雒祥宇, 等. 含三維內(nèi)置斷裂面新型材料斷裂體破裂過程研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 45(9): 3257?3263. FU Jinwei, ZHU Weishen, LUO Xiangyu, et al. Study on failure process of fractured rock by using a new material containing three-dimensional internal fracture surfaces[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(9): 3257?3263.

[24] 付金偉, 朱維申, 謝富東, 等. 巖石中三維雙裂隙組擴(kuò)展和貫通過程的試驗(yàn)研究和彈脆性模擬[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(9): 2489?2495. FU Jinwei, ZHU Weishen, XIE Fudong, et al. Experimental studies and elastic-brittle simulation of propagation and coalescence process of two three-dimensional flaws in rocks[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(9): 2489?2495.

[25] PERRAS M A, DIEDERICHS M S. A Review of the tensile strength of rock: concepts and testing[J]. Geotechnical & Geological Engineering, 2014, 32(2): 525?546.

[26] WONG R H C, LAW C M, CHAU K T, et al. Crack propagation from 3-D surface fractures in PMMA and marble specimens under uniaxial compression[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 41(3): 37?42.

[27] DYSKIN A V, JEWELL RJ, JOER H, et al. Experiments on 3-D crack growth in uniaxial compression[J]. International Journal of Fracture, 1994, 65(4): 77?83.

[28] DYSKIN A V, SAHOURYEH E, JEWELL RJ, et al. Influence of shape and locations of initial 3-D cracks on their growth in uniaxial compression[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2003, 70(15): 2115?2121.

[29] 蔡美峰, 何滿潮, 劉東燕. 巖石力學(xué)與工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002: 102. CAI Meifeng, HE Manchao, LIU Dongyan. Rock mechanics and engineering[M]. Beijing: Science Press, 2002:102.

Experimental research on propagation mode of 3D hollow crack and material failure strength under hydro-mechanical coupling

LI Bangxiang1, ZHU Weishen1, YANG Lei1, YU Song2, MEI Jie1,CAI Weibing1, ZHANG Qiangyong1, CHEN Yunjuan3

(1. Geotechnical & Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China;2. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;3. School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The transparent rock-like resin material was adopted to manufacture specimens containing single 3D hollow crack. Then, hydro-mechanical coupling experiments were carried out to investigate the initiation and propagation modes of 3D hollow crack, and to analyze the influences of crack dip angle and water pressure on the initiation stress of crack and the failure strength of specimen. The results show that the initiation and propagation modes of 3D hollow crack are significantly different from those of the closed crack. Under the condition of hydro-mechanical coupling, the initiation and propagation of 3D hollow crack present two types of modes, i.e., the low water-pressure type and the high water-pressure type. The increase of water pressure promotes significantly the crack initiation and propagation, which changes the overall failure mode of specimen. With the increase of crack dip angle, the critical growth length of wingcrack decreases and the initiation moment of fin-like crack shows a hysteretic tendency. The influences of water pressure on the crack initiation stress and specimen strength have thresholds. Under the water-pressure threshold, the crack initiation stress increases slightly and specimen failure strength decreases gradually with the increase of water pressure. When the water pressure reaches or exceeds the threshold, both the crack initiation stress and specimen failure strength decrease significantly. Both the crack initiation stress and the specimen failure strength show a decreasing tendency at the beginning and then show an increasing tendency with the increase of crack dip angle. However, the variation amplitude of crack initiation stress is greater than that of the failure strength.

3D crack; hydro-mechanical coupling; initiation and propagation mode; initiation stress; failure strength

TU45

A

1672?7207(2019)05?1192?11

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.023

2018?06?21；

2018?08?21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509146, 51579140, 51609130)；泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2017) (Projects (51509146, 51579140, 51609130) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017) supported by the Tarzan Scholars Program)

楊磊，博士，講師，從事裂隙巖體力學(xué)特性等研究；E-mail: yanglei@sdu.edu.cn

(編輯 伍錦花)