（工程力学专业论文）脆性材料中三维裂隙断裂试验、理论与数值模拟研究.pdf

山东大学博十论文 中文摘要 岩体中原生裂隙的起裂、扩展和贯通演化特性、破裂模式及 其对工程岩体强度及渗流特性的影响一直为工程地质界、岩石力 学界和相关工程界所重视。由于三维裂隙岩体问题的复杂性，以 往的研究大多将三维问题简化为二维问题来研究，并取得了较为 系统的研究成果但是裂隙岩体的二维简化模型往往会丢失许多 裂纹扩展与贯通过程的三维信息因此，近年来三维裂隙岩体的 断裂损伤机理及其力学特性的研究逐渐成为裂隙岩体工程领域的 重要课题之一，对于裂隙岩体工程的设计、施工和长期稳定性的 维护具有极其重要的指导作用，对于地震地质学科和地球物理研 究领域也具有一定理论意义 针对三维裂隙岩体试验模型材料的选取问题，在总结以往试 验材料的基础上，研制出两种不同的脆性材料，一种是透明性良 好的低温脆性聚酯树脂材料，其拉压比可达1 5 ，优于以往的其 他模拟材料，该材料属于均质材料，并可清晰地观察到试样内裂 纹扩展的三维状态；另一种是类岩石材料，其脆性程度非常好， 拉压比可达1 2 3 。 分析了岩体在断裂过程中的裂隙效应和裂隙的维数效应及裂 隙萌生的基本力学模式，给出了单轴压缩条件下几种新生裂纹的 定义，如：翼裂纹、反翼裂纹、包裹式翼裂纹和贝壳状裂纹等。 采用室内宏、细观力学试验研究了不同脆性材料中三维裂纹萌生、 扩展及其贯通的演化过程。采用透明树脂材料的试验结果表明： 三维裂隙起裂、扩展是以包裹式翼裂纹为主要扩展模式的；并在 实验中获得了一些以往研究中所未观察到的裂纹扩展模式，如穿 越裂纹、花瓣状裂纹等。对于不透明的真实岩石及类岩石材料， 在单轴压缩状态下，试样破裂后可以清楚地观察到包裹式翼裂纹 的扩展，但无法在这类材料中区分到其他形式的裂纹。此外，材 料的均匀性将影响含三维裂隙的最终断裂形态。含三维裂隙的均 匀树脂试样最终是以劈裂破坏为主的，但在类岩石材料试样却是 坐奎叁堂堕丝壅 以剪切断裂的。这样，可根据岩体表面上的断裂迹线与预制裂隙 方位之问的关系推定岩体内三维裂隙的赋存状态，为确定裂隙岩 体的锚固方式提供参考。 采用三维声发射定位技术研究了类岩石材料中内置裂隙单轴 压缩条件下的断裂模式及其声发射特征，提出三维裂隙起裂强度 的判定方法，并可判定三维裂纹稳定扩展与失稳扩展状态，为工 程检测岩体裂隙破裂的演化状态提供一种新解决方案。此外，还 讨论了一定条件下三维裂隙间距和密度对岩体强度的影响。 在单轴压缩荷载作用下，裂隙深度比d t ( d ，为裂隙深度；t 为试样的厚度) 直接影响三维裂纹的扩展过程和断裂模式。实验结 果表明：在单轴压缩荷载作用下，当裂隙深度比d t o 6 时，表 面裂隙以主要翼裂纹模式断裂在砂岩试样亦观察到相似的现象。 声发射定位结果亦支持了这一全新的试验现象，并且表明裂纹的 起裂是从试样的内部开始的。此外，对于表面裂隙，表面裂隙倾 角a 对岩样的起裂应力影响很显著。 根据经典的脆性断裂力学理论和弹性理论，研究了三维裂隙 扩展的最大拉应力准则，推导出单轴压缩条件下考虑i 一一m 完 全复合型三维裂隙前缘逐点的应力状态的计算公式，讨论了裂隙 边界上各点的最大拉应力、破裂面弯角和扭角的变化情况，用数 值方法确定了破裂面的起裂位置及起裂方向。理论分析结果与实 验结果取得了很好的一致性。 脆性材料的断裂过程可看成是构成材料的表征体元r v e ( r e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n t ) 损伤累积的过程。在数值计算中， 基于快速拉格朗日方法，利用f l a c 3 d 中的f i s h 语言编制了考 虑材料体元参数软化模型的数值计算程序，模拟了三维裂隙扩展 贯通过程。数值模拟结果表明，以往将裂隙扩展简化为二维问题 山东人学博十论文 进行分析研究，会失去许多三维裂隙扩展的重要信息，如三维裂 纹扩展面的扭转，三维裂纹贯通模式等借助于三维裂纹的数值 模拟可以清楚地了解三维裂纹扩展及贯通的全貌，以弥补三维裂 隙断裂试验与理论研究的不足，为进一步研究三维裂隙断裂的本 质提供一定的参考价值。 关键词：裂隙岩体；单轴压缩；三维裂隙；扩展；贯通；断裂； 数值模拟 本文的研究是在国家自然科学基金项目( 4 0 2 7 2 1 2 0 和 5 0 5 7 9 0 3 3 ) 和香港理工大学科学研究基金项目c a p e 3 l 、a p g 4 6 和 g u 1 4 1 ) 的共同资助下完成的。 e n g l i s ha b s t r a c t s o m ep r o b l e m s ，s u c ha st h ee v o l v e m e n ta n df r a c t u r ep a t t e r no f i n i t i a t i o n ，p r o p a g a t i o na n dc o a l e s c e n c ef r o ms o m ep r i m a r yf l a wi n r o c km a s s ，a n dt h ei n f l u e n c eo nr e c ks t r e n g t ha n ds e e p a g ep r o p e r t y ， a r ea l w a y sf o c u s e db yt h er e s e a r c h e r so fg e o l o g y f i e l d ，r o c k m e c h a n i c s a n do t h e rc o r r e s p o n d i n g f i e l d s o w i n g t ot h e c o m p l e x i o n o ft h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) f r a c t u r e dr o c km a s s ，t h e e n g i n e e r i n gp r o b l e m so f t e ni ss i m p l i f i e dt o t w o - d i m e n s i o n a lo d ) m o d e l si nm o s t0 ft h ep r e v i o u ss t u d i e s b u t ，m u c h 3 df r a c t u r e i n f o r m a t i o ni sf u l l yr e f l e c t e di nt h es i m p l e2 dm o d e l s o ，r e c e n t l y ， s o m er e s e a r c h e r ss t a r tt of o c u so nt h ef r a c t u r em e c h a n i s m sa n d p r o p e r t i e so f3 d f r a c t u r e dr o c km a s s t h e s ej o b s a r e v e r y i m p o r t a n t ，d i r e c t i v ea n dp r a c t i c a lt o t h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n d 8 t a b i l i t yo ff r a c t u r e dr o c km a s s ，a l s ot h e o r e t i c a l l ys i g n i f i c a n tt o e a r t h q u a k eg e o l o g ys c i e n c ea n de a r t hp h y s i c sf i e l d s m a k et w ob r i t t l em a t e r i a l sb a s e do ns o m ep r e v i o u ss t u d i e s o n ei sat r a n s p a r e n tf r o z e nr e s i n ，an e wt y p em e a nm a t e r i a l ，i t s r a t i oo fc o m p r e s s i v ea n dt e n s i l es t r e n g t hi s a b o u t5 ；a n o t h e ri sa n e wr o c k 1 i k em a t e r i a l ，i t sc o m p o n e n t sa r ec e m e n ta n dg e e ds a n d ， t h er a t i oo fc o m p r e s s i v ea n dt e n s i l es t r e n g t hi su pt o2 3 t h ef l a we f f e c t ，d i m e n s i o ne f f e c ta n db a s i cf a c t u r ep a t t e r n d u r i n gr o c kf a i l u r ei sa n a l y z e d ，f i r s t s e v e r a ln e wc r a c kp a t t e r n s a r ed e f i n e d ，s u c ha sw i n gc r a c k ，a n t i w i n gc r a c k ，w r a p p i n gw i n g c r a c ka n ds h e l l s h a p e 6c r a c k t h e n ，as e r i e so fe x p e r i m e n t so nt h e g r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo f3 df l a wi nd i f f e r e n tb r i t t l em a t e r i a l sa r e c a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t si nm e a nm a t e r i a l s h o wt h a t ：t h e w r a p p i n g c r a c ki sa l l i m p o r t a n tp a t t e r n f o rt h e g r o w t h a n d c o a l e s c e n c e3 df l a w ；s o m en e wg r o w t hc r a c k sa r eo b s e r v e di nt h e 山东人学博十论文 e x p e r i m e n t s ，s u c ha sc r e s sc r a c ka n dp e t a lc r a c k t h ec r os sc r a c ki s i n d u c e df r o mt e n s i i ea n dt e a r i n gs t r e s sa l o n gt h eb o u n d a r yo ft h e f l a wp l a n e ，i tb e l o n g st oam i x e dm o d ef r a c t u r eo fm e d eia n d m o d e d1 1 1 t h ep e t a lc r a c ki si n d u c e df r o mt h ep u r et e a r i n gs t r e s s ， i saf r a c t u r eo fm o d ei i i t h ec o m m e n c eo ft h et w ot y p e s0 fc r a c k s m a k e st h es t r e s s s t a t e sm o r ec o m p l i e a t e dn e a rt h ef l a wb o u n d a r y ， a n dm o s t l yc a nn o tb e e x p r e s s e dw i t hm a t he q u a t i o n s f o rt h e n o n 。t r a n s p a r e n tm a t e r i a l s ，t h ew r a p p i n gw i n gc r a c ka l s oi s o b s e r v e da f t e rs p l i t t i n gt h es a m p l e s t h i st y p eo fc r a c kb e l o n g st o af u l l ym i x e df r a c t u r eo fm o d ei ，m o d ei ia n dm o d ei i i b u t ，o t h e r t y p e so fc r a c k sa r en o to b s e r v e d ，d i r e c t l y a l t h o u g ht h ei n t e r n a l c r a c k sp a t t e r n sc a nn o tb es e e n ，t h ef l a wc o n f i g u r a t i o ni nr o c km a s s m a yb ed e d u c e da c c o r d i n gt ot h eo u t p u tc r a c kl i n e so nt h es u r f a c e o fs a m p l e s ( r o c km a s s ) ，a n dp r o v i d eac o n f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o r t h ee n g i n e e r i n gb o l t e dd e s i g n f o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h ef r a c t u r eo f3 df l a w ，t h ea c o u s t i c e m is s i o n ( a e ) l o c a t e dt e c h n i q u ei ss t u d i e dt h eg r o w t hp a t t e r no f 3 df l a wa n da ep r o p e r t i e su n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o n ，a n dp r o v i d e am e t h o dt oc o n f i r mt h ed i f f e r e n ts t a g e s ( i n i t i a t i o n ，p r o p a g a t i o n a n dc o a l e s c e n c e ) a c c o r d i n gt ot h ea ep r o p e r t i e s d u r i n gt h ef l a w f r a c t u r e t h e n ，t h es t r e n g t hi n f l u e n c ef r o mt h es p a c i n ga n dd e n s i t y o f3 df l a wa r ea n a l y z e d f o rt h ef r a c t u r e so fs u r f a c e f l a w ，t h e d e p t hr a t i od t ( d ，f l a wd e p t h ；t ，s a m p l et h i c k n e s s ) o ft h ef l a w p l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ep a t t e r na n dg r o w t hp r o c e s so ft h e3 d s u r f a c ef l a w a sd t 0 6 a n dt h es a m ep h e n o m e n aa l s oa r er e c o r d e di ns a n d s t o n ea n dg a b b r o s a m p l e s t h er e s u l t sf r o ma el o c a t i o nf u r t h e rs u p p o r t st h en e w f r a c t u r ep a t t e r na n ds h o w st h a tt h ea n t i - w i n gc r a c ks t a r t st og r o w w i t h i nt h es a m p l e f u r t h e r m o r e m ，t h ei n c l i n e da n g l eo ft h ef l a w 山东人学博十论文 w i l lm a i ni n f l u e u c et h ei n i t i a t i o ns t r e s s0 fc r a c k b a s e do nt h ec l a s s i c a lr e c kf r a c t u r et h e or ya n de l a s t i ct h e o r y ， t h em a x i m u mt e n s i l es t r e s sf l a wi sr e v i s e d t h es t r e s ss t a t e0 fa n y p o i n ta i o n g t h ef l a w b o u n d a r y i sd e d u c e d d u r i n g u n i a x i a l c o m pr e s s i o n ，a c c o r d i n gt o t h ef u l lm i x e df r a c t u r em o d e ( m o d e i i i i i i ) t h er e s u l t sf r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a t ：t h e m a i ni n i t i a t i o nf r a c t u r ee m e r g e sw i t h i naz o n en e a rt h ee n dt i p so f t h el o n ga x i so ft h ef l a w ，n o tl i m i t e dt ot h et i p s ，t h ec r a c ka l m o s t s y n c h r o n o u s l yi n i t i a t e di nt h ez o n e t h eb e n da n g l eo fm a i nc r a c k i sv e r yb i g ，t h ew r i n ga n g l ei ss m a l l ，b u tn o te q u a lt oz e r o t h e s e c o n d a r yc r a c k sa l s os y n c h r o n o u s l yi n i t i a t e di nt h em i d d l eo ft h e f l a wb o u n d a r yl i n e a tt h ee n dt i p so ft h es h o r ta x i so ft h ef l a w ，t h e s e c o n d a r yc r a c kp l a n e so n l yh a v eab e n da n g l e s ，t h ew r i n ga n g l ei s e q u a lt oz e r o t h er e s u l t sf r o mt h ea b o v er e v i s e dm a x i m u mt e n s i l e s t r e s sf l a wa r et h es a m ea st h a t0 fe x p e r i m e n t s t h ef u l lg r o w t hp r o c e s so f3 df l a wi ss i m u l a t e dw i t hv o l u m e e l e m e n tm e t h o dw i t hf i s hp r o g r a m si nf l a c 3 ds o f t w a r e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：2 dm o d ew i l ll os em u c h3 dg r o w t h i n f o r m a t i o no fc r a c k s ，s u c ha st h ew r i n ga c t i o no ft h ec r a c kp l a n e ， a n dt h e3 dc o a l e s c e n c ep a t t e r no fc r a c k s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v i d ean e wm e t h o dt of u r t h e rs t u d y3 df l a wf r a c t u r e ，a n dm a k e u ps o m ef a u l t so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ；u n i a x i a lc o m p r e s s i o n ；t h r e e d i m e n s i o n a l f l a w ；g r o w t h ； c o a l e s c e n c e ；f r a c t u r e ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v i 山东大学博十论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 喜独好师签名： 2 0 0 7 年4 月2 日 期：鬯! 乡 助7 f 砑 山东人学博七论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 在我国国民经济发展和西部大开发战略中，能源等自然资源的开 发与利用无疑是重中之重的首要课题。在这一举世瞩目的伟大历史进 程中，岩石( 体) 力学工程的设计、施工和科研人员首先要面对的是大 量的岩体的开挖、支护和长期稳定性处理等问题。而裂隙岩体是我国 水利、矿山、石油、核废料存储、自然河谷边坡及各种岩体工程和环 境工程中经常遇到的一种复杂岩体。裂隙对岩体的稳定性及其渗流活 动影响最大的除了i 级、h 级大型结构面外，最普遍存在而又难以分 析处理的要数i v 级、v 级结构面。这些断续结构面在工程开挖或附 加荷载的作用下会产生出新的裂隙扩展和贯通，并将引起其中地下水 的渗流条件的改变。这些扰动会对工程岩体的强度和稳定性造成十分 不利的影响。水电工程在高山峡谷修建大坝或地下厂房因开挖引起岩 石裂隙的延展和贯通，无论坝肩、坝基，边坡或地下厂房都会发生强 度和稳定性的恶化或渗流问题。如欧洲著名的马帕塞和瓦依昂大坝发 生的溃坝和边坡滑落引起的漫坝事故造成了重大的工程灾难。在隧道 工程中，如广东的大瑶山隧道，广州地铁也都因为底层的破裂和透水 性影响了工程的稳定性或造成事故；在环境科学中，核废料和高污染 化学废料的处理是日益收到关注的问题。能源工程中，石油、天然气 等资源的地下空间战略存储问题，二氧化碳的地下存储问题。若处置 不当则会通过岩体裂隙由地下水将污染物带入人类的生存地域，严重 危害了生态环境。在含水层中进行矿床开采，需要研究裂隙岩体对水 的隔离性能及开采和水对底层的复合性破坏作用。当前水体上和水体 下采煤如何防止突水事故已成为生产上的重大课题。近年来矿山的突 水事故已造成矿山的重大伤亡，说明了问题的严重性。但是，对石油 开采而言，为了提高产量，需要提出合理的压裂工艺，则必须根据含 油层裂隙的特点制定出科学的驱油方案，并且往往希望创造处更好的 破裂面和渗流条件以提高采油率。这就需要研究裂隙扩展的条件和裂 隙、孔隙与石油等液体介质的相互作用问题，同时这又是岩体中的裂 隙对工程有利的一面。地震和地球物理科学界为了研究震源发震机制 山东大学博士论文 也十分重视地壳中原有断裂的扩展规律。所以。岩体中原生裂隙的起 裂、扩展和贯通演化特性、破裂模式及其对工程岩体强度及渗流特性 的影响一直为工程地质界、岩石力学界和相关工程界所重视。 研究岩体中裂隙的起裂、扩展和贯通过程及其破裂模式和最可能 的产生渗流通道的裂隙扩展范围和贯通区是很重要的基础性研究工 作。研究岩体中裂隙的扩展演化规律及其对岩体强度的影响以及对岩 体渗流规律的影响，对于岩石( 体) 力学、地质学和地球物理科学等学 科具有十分重要的学科理论意义和实际应用意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 = 维裂隙研究进展 在加卸载作用下，岩石的破裂与失稳通常是由于岩石中预先存在 的裂隙、孔洞等原始缺陷引起岩体内的高应力集中造成的。裂隙、孔 洞等缺陷的始裂、扩展及相互作用和贯通进而导致岩体内的岩桥破裂 是脆性材料破坏的重要表现形式。人们对裂隙缺陷的研究是从单裂隙 模型开始的，1 9 1 3 年，英格里斯( i n g l i s ) 最早计算了带有椭圆通孔平板 的拉伸应力分布，当椭圆变得很窄时就可以把它看成是一条穿透裂隙， 定量的证明了应力集中现象，但他没有把工作深入下去，未能跳出传 统强度理论范畴。而最早从理论和实践中获得重要突破的是比英格里 斯晚七年的g r i f f i t h ，他于1 9 2 0 年对玻璃和陶瓷等构件的强度进行了理 论分析和试验研究，提出了因裂隙扩展导致材料破坏的条件，并从能 量的观点得出了固体强度与裂隙长度之间的表达式 1 - 3 】。在他之后的 o r o w a n ( 1 9 4 9 ) 的修正工作使得这一理论得以发展。i r w i n 于1 9 5 7 年提出 了应力强度影子概念使得脆性断裂理论得以重大突破。之后，c o o k ， h o e k ，m ec l i n t o c k ，s a l a m o n 等学者采用断裂力学理论与试验研究了岩 石在受压情况下裂隙的扩展情况 4 - 1 2 。1 9 6 6 年，b r a c e 1 3 , 1 4 提出了二维 裂隙滑移开裂模型，认为滑动裂隙端部生成的弯折型张性裂纹是在压 剪型荷载作用下新裂纹生成的主要机制，并根据该模型对岩石破坏前 的扩容现象进行了微观解释。同时指出，在受压状态下裂隙的进一步 扩展要求附加荷载的连续增长以维持扩展过程，次生裂纹以突跃方式 出现的。在受拉状态下，裂纹的扩展是不稳定的。该模型对解释岩石 2 山乐人学博十论文 中微裂纹的延性开裂机制是合适的，但该模型没有考虑裂隙间的相互 作用，因而也只适用于裂隙密度较小和裂隙扩展前期的情况。 从7 0 年代起，由于试验手段和技术的改进，二维条件下的试验 研究开始兴起。这些试验多以预制平板穿透斜裂隙的模拟材料来研究 裂隙的二维始裂、扩展和破裂过程，如n o l e n h o e k s e m a l 等人观测 到受压大理岩斜裂隙尖端的扩展破坏模式，发现裂隙的扩展具有非对 称性，并指出穿透裂隙在试件表面的发育能够很好的代表内部情况。 在此之后许多学者用显微镜进行了不同的研究。如w o n g t f 【1 6 ， 1 等 研究了w e t e r l y 花岗岩的微观破坏机制。h u d s o n 和p r i e s t 等【”】也 用计算机对裂隙岩体进行了几何统计特征的分析研究 进入8 0 年代，人们对裂隙缺陷的研究更注重理论与试验相结合， 但偏重于理论模型的建立，这个时候比较有代表性的研究有： n e m a t n a s s e r 、h o r r i 、a s h b y 和o b a t a 等 2 0 - 2 5 1 用线弹性断裂力学研究 单个、多个和多组雁行排列的预制张开型裂隙的起裂、扩展和贯通机 制，并研究了这些多裂隙与自由面的相互作用引起的应力集中，建立 了其相互作用的理论模型，给出了相互作用因子进行了强度分析。他 们在定量分析和试验验证的基础上，提出了一个二维模型，通过该模 型可解释缺陷诱发裂隙扩展导致岩石劈裂现象，并进一步指出：三向 压力作用下裂隙的相互作用使得扩展失去稳定，导致裂隙局部化形 成，并控制材料的强度及最终的失效面。k a c h a n o v 等 2 7 , 2 9 在考虑岩 石的非线弹性的基础上建立了适合滑动摩擦特性的预制裂隙的扩展 模型。 从9 0 年代至今，随着人们对岩体地质工程认识的加深，结合传统 的理论分析、新的试验方法对裂隙缺陷开展了更为深入的分析：如 r e y e s 等 3 0 , 3 1 1 完成的单轴压缩下含两个预制张开型裂隙的石膏试样裂 隙贯通过程的测试，发现裂隙体的贯通机制被平行的初始预制裂隙缺 陷的几何分布所控制，如果预制裂隙缺陷部分重叠分布，则翼型裂隙 发展并穿过试件的完整部分而贯通。如果预制裂隙缺陷不重叠分布， 贯通将通过次生裂隙( 剪破裂) 发生，或者张拉和剪切共同作用。s h e n 等 3 2 - 3 5 在9 0 年代初运用试验和d d m 的数值模拟方法，对含单个和两个 预制张开型和闭合型裂隙缺陷开展了研究，其研究的主要要点是：在 低加载应力下，发展了抽象的断裂变形模型，并且考虑了拉和剪破坏； 3 些垒盔兰堕笙奎 同时也考虑了i 模式( 拉伸断裂) 和i i 模式( 剪切断裂) 的表面能量，建立 了新的断裂准则，并应用修正的g r i f r i t h 准则解释了部分试验结果。 b o b e t 等1 3 7 , 3 9 用石膏试样研究了单轴作用下不重叠和重叠断续两张开 裂隙缺陷的扩展、贯通机制。尽管这些学者研究了岩桥贯穿机制及失 稳模式，但他们没有对一些影响裂隙贯通的因素所系统研究，包括裂 隙的长度和倾角，岩桥的距离与裂隙所在的相对位置，裂隙间面的摩 擦系数和围压等。朱维申、李术才和陈卫忠等 4 0 - 6 0 1 通过了相似材料模 型试验研究了雁形裂隙双向加载问题，并从理论上分析了断续节理岩 体的蠕变损伤断裂机理，提出了节理裂隙蠕变演化的等效模型和考虑 裂隙蠕变扩展与损伤耦合的应变本构方程。此外，王庚孙等从理论上 研究了多裂隙在单、双轴条件下的裂隙贯通机理，并指出宏观的破坏 主要同裂隙分布、侧压以及参与贯通的裂隙组有关，但也没有充分的 试验数据去全面验证他们的理论结果。 因此，针对前面一些研究的不足，w o n g 、c h a u 和t a n g 等 6 1 - 7 z 在这 些研究的基础上做了进一步的研究：包括用含不同摩擦系数及不同程 度微裂隙的真实岩石及类砂岩模拟材料( 硫酸钡、沙、石膏和水的混 合物) 及不同角度分布的预制裂隙试样的贯通机制，对岩桥强度和贯 通失效机制作了一系列的单轴和直剪的数值和理论方面的研究。虽然 对单轴加载下多裂隙的贯通机制有一定的了解，但实际的岩体往往处 在围压环境中，所以对双轴加载作用下的裂隙贯通机制的研究显得更 重要。黄凯珠、林鹏( 2 0 0 2 ) 等 7 3 1 通过物理试验和数值模拟，研究双轴 作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂纹的萌生、扩展和贯 通机制，结果表明裂纹贯通模式主要受加载条件与预置裂纹几何分布 的影响，裂纹在双轴加载条件下有拉、剪、压和混合贯通等模式。研 究认为，压裂纹是在侧压下产生的次生裂纹，裂纹的贯通则受到两非 共线的重叠裂隙间的岩桥尺寸的影响较大。三裂纹在峰值附近有两组 贯通裂纹，在单轴情况则通常只发生一组贯通裂纹。拉裂隙扩展速度 随着侧压的增加而降低，而剪裂隙的出现相对增加，拉裂隙的贯通经 常出现在两非共线的重叠预制裂隙中。 任伟中、白世伟( 1 9 9 9 ，2 0 0 3 ) 等 7 4 - 7 6 通过直剪试验条件下的模型 试验，研究了不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包 含闭合节理和岩桥的剪切面的变形和强度特性及其相应的变化规律， 4 坐垒叁堂竖丝奎 探讨了节理、岩桥变形和破坏机理。并建立起表征岩桥初裂强度和不 同破坏模式下的贯通强度计算公式。黎立云刘大安( 2 0 0 2 ) 等 7 7 , 7 8 1 采 用类岩石材料白水泥模拟多裂纹岩体进行了双向加压试验，对裂纹开 裂角，初始开裂载荷的理论计算值和试验值进行了对比分析。郭少华 ( 2 0 0 3 ) 等 7 9 1 进行了含中心裂纹的矩形石膏试件单轴、双轴压缩条件下 的破坏试验，对裂纹起裂位置、起裂角、应力集中、断开模式进行了 研究。此外，朱维申、白世伟等对断续性节理对抗剪强度的影响也进 行过模型试验研究。h o x h a ( 2 0 0 5 ) 8 0 l 在花岗岩试样上预置裂纹，利用预 置裂纹分布的不同形成试样的各向异性，考虑了不同温度和不同蒸汽 压力的影响，进行了双向剪切试验，试验发现次生裂纹的扩展受预置 裂纹的影响，次生裂纹沿预置裂纹密度最大方向扩展时其扩展速率最 大，而且受试样各向异性的影响，裂纹面是起伏的，裂纹扩展路径也 不是一条直线。 清华大学周维垣等 8 1 - s 6 1 从上世纪6 0 年代开始，进行了众多水电站 的地质力学模型试验，得到了大量的经验和成果。他们在处理裂隙岩 体中数量众多的节理裂隙时，认为必须对其作适当的简化，但在各个 方向节理裂隙出现的频度，原型与模型应保持相似，即原型岩体内各个 方向单位长度内缝隙数之比，应与模型相同。二维模型试验建立在一定 的在相似理论的背景之下，结果直观，具有较强的说服力，已成为进 行岩石力学研究一种不可或缺的重要手段。 除模型试验外，近些年来，随着声发射技术的发展、高倍扫描电 子显微镜以及c t 试验机的出现，裂隙岩体断裂损伤的研究得到了较 快发展在声发射研究方面，m o g i 8 7 , 8 8 1 做了一系列声发射模式的试 验来研究地震发生机理，s c h o l z 8 0 ，9 0 1 研究了岩石破裂前膨胀现象中的 声发射规律，g o o d m a n ( 1 9 6 3 ) e 9 1 】在砂岩和石英岩压缩实验中对声发射 中的k a i s e r 效应进行了研究。陈额对声发射技术在地震序列和岩石 破裂中的研究进行较全面的论述，陈忠辉等人对两岩体相互作用卜的 声发射模式进行了研究。 刘东燕等 9 3 - 9 5 用水泥砂浆模拟含裂隙岩石试样，在刚性压力机 上进行单轴压缩试验，通过声发射测试技术，分析含裂隙岩石在受压 力过程中新裂纹的萌生一扩展一断裂破坏全过程，对含中心斜裂纹试 样受压破坏的声发射特征进行研究，根据声发射过程线特征段上的转 5 山东大学博十论文 折点区分裂纹扩展的阶段性，研究结果表明，试件受压破坏过程中的 声发射事件，主要来源于裂纹尖端新生裂纹发展时的能量释放； t s u y o s h ii s h i d a ( 2 0 0 1 ) 【9 6 ，9 7 1 对4 种不同粒度花岗岩试样进行了水压致 裂声发射测试，研究了粒度和不同粘度液体作用下试样的破裂机制， 研究表明，当粒度较大时，以剪切破坏机制占主导，当粒度较小时， 以张拉破坏机制占主导：当裂隙中注入高压水后，以剪切破坏机制占 主导，当注入粘度较高的油时，以张拉破坏机制占主导；李银平，王 元汉等 9 3 , 9 4 采用含预制裂隙大理岩试件，对压剪应力场中试件破坏 声发射特征进行研究，根据试样的不同声发射特征，分析材料损伤断 裂过程的不同机制；雷兴林，m a s u d a 等( 2 0 0 4 ) 9 s 】选用含裂隙面花岗 岩和泥岩试样，记录了试样的破裂过程进行声发射的时空分布，并将 裂纹的损伤演化过程分为三个阶段。s h c h a n g 和c i l e e ( 2 0 0 4 ) p 9 】 采用声发射技术研究了h w a n g d e u n g 花岗岩和y e o s a n 大理岩试样的 微裂纹汇合问题，分析其断裂损伤的微观机理，研究表明三轴压缩荷 载下岩石的破坏机制以剪切破坏为主导，并且随着围压的增加，剪切 破坏的主导性增强。 图1 1 定位区域内的声发射特征( 刘东燕等，1 9 9 8 ) f i g 1 1a ep r o c e s sa r o u n dl o c a t i o nz o n e 在细观力学研究方面，周维垣等( 1 9 9 7 ) t l 0 0 1 采用黑色大理石试样， 进行了岩石材料切片的扫描电镜( s e m ) 下的断裂试验及宏观试件的三 点弯曲断裂试验，研究试样细观破坏的机理及宏观断裂破坏形成的过 程，并采用局部化理论和分数维重正化理论相结合的近似方法，建立 了岩石、混凝土材料细观开裂网格模型；肖洪天，强天弛等( 1 9 9 9 ) 采 6 山东大学博士论文 用扫描电镜，即时记录了裂纹尖端的微裂纹发育和演化过程，并应用 双扭试件，对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验，得到了花 岗岩的断裂力学参数；黄明利等( 1 9 9 9 ) 川1 采用s e m 研究了预置微裂纹 在大理岩试样中的发育与扩展特征。朱珍德，徐卫亚等 1 0 2 - 1 0 6 1 选取三 峡船闸高边坡花岗岩和山西万家寨水电站灰岩进行不同应力状态的全 应力一应变过程渗透性对比试验，然后将其岩石破坏断裂断口进行微观 扫描电镜试验，分析了脆性岩石的微观断裂形式，认为脆性岩石的断 裂机理有两种，即剪切破坏和翼裂纹破坏；赵永红( 2 0 0 4 ) 1 0 7 1 对房山 大理岩进行了单轴压缩条件下大理岩填充割缝周围微裂纹生长的扫描 电镜实时观测研究，微裂纹首先呈剪切破裂带状发育，随外载的增加 而连通形成断裂带，割缝填充后微裂纹萌生所需的载荷水平明显提高。 图1 2 预制小裂纹大理岩试样裂纹发育图( 黄明利等，1 9 9 9 ) f i g 1 2c r a c kg r o w t ho fs m a l lf l a wi nm a r b l e 1 2 2 三维裂隙研究进展 由于数学上的困难，三维破裂的研究数量不多。裂纹扩展的起始 和扩展条件一直是断裂力学研究的主要内容。对于实际岩体来说，不 论裂纹赋存于岩体内部还是局部表面露头，其本质上都是三维的。相 对于二维裂纹来说，三维裂纹模型更加接近实际破裂过程，工程实际 意义更大。5 0 年代以来，三维破裂研究在试验方面给出了一系列典型 结果。最早的三维裂纹的破裂是由e r d o g a n 和薛昌明( s i hg c 1 【1 0 8 1 0 9 】 做的开拓性试验，并提出了破裂是沿最大张应力作用方向扩展的假 说后来完成的典型试验包括s o m m e r ( 1 9 6 9 ) 1 l o 】的i 复合型， k n a u s s ( 1 9 7 0 ) 1 1 的纯i i i 型k n a u s s 在丙烯酸树脂玻璃中加工深割口， 并在面上粘贴黄铜板，加剪切荷载，构成反平面剪切裂纹( i n 型) ，观 察到破裂时在裂纹前缘出现大量半圆硬币( 有时称为准螺旋) 状破裂。 7 坐变丕堂堡主丝苎 滕春凯等( 1 9 8 7 ) 、尹祥础等( 1 9 8 8 ) 在玻璃、有机玻璃、大理岩板中预 制表面裂纹，在单轴压缩条件下产生复合型破裂，其形状为一 侧拉长的准螺旋状破裂，并观察到这些破裂在生长过程中的自组织现 象【1 1 2 。4 1 。 ( a ) 试样设计t b ) 玻璃试样断裂 ( c ) 大理岩试验断裂 图1 3复合型破裂的试验( 滕春凯等1 9 8 7 ) f i g 1 3m i x e df f a c t u r e so fm o d e - mf l a w a d a m s 和s i n e s 用p m m a 通过机械方法预制三维裂纹在单轴加载条 件下观察扩展特征1 15 1 。s c h o l z 在试验中采用币形裂纹的扩展得到了和 a d a m s 相同的观察结果。黄明利等采用树脂材料研究了表面裂纹、内置 8 山东大学博士论文 裂纹和穿透裂纹的扩展形式以及裂纹的相对长度和倾角对三维裂纹扩 展的影响1 1 1 6 , 1 1 3 1 由于三维裂纹前缘往往处于试样的内部，不容易直 接使用测量方法来确定其应力强度因子的分布处于复杂应力状态下 的三维裂纹，其裂尖的应力强度因子往往以混合的方式出现，这更使 得试验观测和理论分析变得非常困难。并且，岩石是一种非透明性的 非均匀介质，采用透明的玻璃、树脂等均匀材料往往忽略了岩石的非 均匀性对裂纹扩展的影响，因此在相应的试验结果上必然有所不足。 吴海威( 1 9 9 1 ) 则提供了大量岩石疲劳断裂的野外观测和室内石 英岩疲劳纹的三维破裂图片证据，与我们在试验室内观察到的螺旋状 三维破裂惊人地相似。 1 ，预制裂隙面；2 ，翼裂纹；3 ，细线 图1 4 低温树脂材料中内置裂隙的扩展( d y s k i n 等，1 9 9 4 1 f i g 1 4g r o w t ho fi