含裂隙类岩石力学特性研究现状与展望

伏德柱，经纬,2,,4，金仁才，钱元弟，经来旺，薛维培,2

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；3.中国十七冶集团有限公司 土木工程博士后科研工作站，安徽马鞍山 243000；4.安徽理工大学土木工程博士后科研流动站，安徽淮南 232001；5.安徽理工大学力学与光电物理学院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年来，我国基础建设发展迅速，在岩质地层中穿越的工程项目日益增加。天然岩体是由结构面与岩石材料组成的具有各向异性、非均质性和不连续性的复杂混合物，其内部由多种胶结物和矿物质材料等构造而成[1]，其结构面不连续且随机分布[2]。此类不连续的结构面在空间上的分布具有多样性，其在不同应力状态下表现出非线性力学响应的特征，导致岩体强度和变形均具有明显的非线性和各向异性等复杂的特点[3]。节理、裂纹、层理等瑕疵均会对岩体的力学特性产生显著影响[4]。因此，在研究裂隙对岩体工程的影响时，亟需在认识岩体结构特征的基础上揭示导致岩体发生失稳的原理、条件及前兆规律，并获得解决岩体工程相关问题的分析方法，据此采取具有针对性的防范措施，这是保证岩体工程可以长期稳定的必由之路[5-6]。

由于天然岩石的质地不均匀，难以保证每个试件性质相同，近年来越来越多的学者以类岩石代替岩石来进行相关岩石的力学性能试验研究。其中，混凝土砂浆、石膏等为常见的类岩石材料。为形成预制裂隙，通常采用预埋钢片等方式，在类岩石材料凝固前将钢片拔出。笔者将介绍国内外关于在类岩石试件中形成单裂隙和多裂隙的相关研究，试验方法包括单轴压缩试验、双轴压缩试验、三轴压缩试验以及数值模拟，最后对含缝隙类岩石力学性能的研究方向进行展望。

1 含裂隙类岩石的力学特性研究

1.1 单轴压缩试验下含裂隙类岩石的力学特性研究

随着岩体工程的发展，岩体内部会存在不同大小的细微裂隙，因此岩体并非一个完整体。采用类岩石来代替岩石进行试验研究可以解决天然岩石质地不均匀所导致的难以保证每个试件性质相同的问题。相关研究人员在实验室内进行单轴压缩试验，对不同裂隙数目、倾角、孔隙形状下的类岩石进行力学特征分析。秦楠等[7]以砂浆为材料制作单裂隙类岩石试件，研究发现裂隙倾角越小，试件单轴抗压强度越低。在此基础上，索永录等[8]在单轴压缩试验中发现，应力-应变曲线最高点对应的应力峰值强度与类岩石试件的单裂隙倾角呈正相关。崔景昆等[9]研究发现，单裂隙类岩石试件的倾角为30°～45°时试件强度受到的影响最大。武旭等[10]针对不同分布状态交叉裂隙的类岩石进行了单轴压缩试验，研究发现裂隙和压力夹角对类岩石强度的影响较大。Wong 等[11]采用含3 条平行裂隙的类岩石试件进行单轴压缩试验，研究发现在任意3 条平行的裂隙中，有且只有2 条裂隙可以实现贯通。部分学者针对裂隙的形状进行了研究。张栩栩[12]用水泥砂浆材料制备椭圆孔洞试件，并对其进行单轴压缩试验，以椭圆孔洞与正应力的夹角为变量，研究发现试件的峰值强度随裂隙倾角的增大而降低。Lin 等[13]对含双圆形孔洞和裂隙的试件进行单轴压缩试验，结果发现裂隙倾角对试件强度有显著影响。

1.2 双轴压缩试验下含裂隙类岩石的力学特性研究

在单轴压缩试验的基础上，学者对不同裂隙数目、倾角和形状下的类岩石进行了双轴压缩试验。刘学伟等[14]对预制不同裂隙倾角的单裂隙类岩石试件进行了单轴与双轴压缩试验的对比，与单轴压缩试验相比，在双轴压缩试验下峰值强度（应力-应变曲线最高点对应的应力）和峰后应力（应力-应变曲线达到最高点后的应力变化趋势）不会减小。Wang 等[15]对预制不同裂隙倾角和岩桥倾角的双裂隙类岩石试件进行了双轴压缩试验，研究发现局部拉应变和压缩应变均较小，且随着轴向应力的增大，局部应变增大。杨平[16]对双裂隙类岩石进行了双轴压缩试验，研究发现双裂隙具有多种扩展模式，缓解裂隙尖端的应力、应变集中现象有利于防止裂隙的扩展。黄凯珠等[17]对三裂隙类岩石进行了双轴压缩试验，研究发现随着压力的增大，预制裂隙逐渐闭合，导致内摩擦力增大，裂纹沿着最大主应力方向发展。唐利明[18]采用水泥砂浆材料制备含孔洞和孔周裂隙类岩石试件，根据岩石力学和断裂力学相关理论，并结合高清工业相机和高精度应变片来进行含裂隙类岩石材料的双轴压缩试验，研究发现试件局部应变峰值并不对应于其峰值强度，在加载过程中也没有出现明显的应力集中现象。

1.3 三轴压缩试验下含裂隙类岩石的力学特性研究

在单轴和双轴压缩试验的基础上，学者对不同裂隙数目、倾角及形状下的类岩石进行了三轴压缩试验。肖桃李等[19]以砂浆预制单裂隙试件，在不同围压下进行三轴试验，研究发现峰值强度和残余强度随着试件裂隙倾角的增大而增大，峰值强度随着裂隙长度的减小而增大。黄彦华等[20]对不平行双裂隙类岩石试件进行三轴压缩试验，研究发现试件的峰值强度、峰值应变均随着围压的增加而增加，但峰值裂隙强度与倾角呈负相关。杨超等[21]对3 种不同裂隙倾角组合的非平行双裂隙类岩石试件进行多级时效荷载下的三轴压缩试验，并将其与常规的三轴压缩试验进行对比，研究发现常规三轴压缩试验下试件强度均略大于多级时效荷载下的试件强度，且不同裂隙倾角下2种试件强度的大小顺序一样，破坏形式受裂隙分布的影响较大。

1.4 含裂隙类岩石的力学特性数值模拟研究

随着关于预制裂隙岩石裂纹扩展研究的不断深入，关于岩石裂隙扩展的数值模拟也得到了广泛应用。Shen[22]采用数值模拟的方法对含裂隙类岩石试件进行单轴试验，发现得到的裂隙扩展规律与试验相同，相比之下，数值模拟方法更具优势。汪中林[23]对单裂隙类岩石进行单轴压缩试验和三维有限差分程序（fast lagrangian analysis of continua，FLAC 3D）数值模拟，室内试验数据均略大于模拟数据，但两者总体趋势一致，随着裂隙倾角的增大，试件峰值强度先减小后增大。付金伟等[24]采用FLAC 3D 数值模拟方法对立体椭圆裂隙类岩石进行单轴试验，研究发现三维裂隙与二维裂隙的受力情况相似，但裂隙扩展情况比二维要复杂，峰值强度随着三维裂隙侧压的上升而增大。潘翔[25]采用颗粒流程序（particle flow code，PFC 2D）数值模拟方法对共面双裂隙类岩石进行单轴压缩试验，发现类岩石试件的峰值强度与裂隙长度呈负相关（裂隙长度越短，峰值强度越大），随着岩桥长度的增加，试件峰值强度先增大后减小。杨海平[26]通过对交叉裂隙类岩石进行单轴试验并采用真实破裂过程分析（realistic failure process analysis，RFPA）软件进行数值模拟，发现主裂隙倾角对峰值强度的影响显著，当且仅当主裂隙的倾角为0°时，次裂隙才会对强度有明显影响。米文静[27]采用数值模拟方法分别对预制单裂隙、双裂隙类岩石进行双轴压缩试验，研究发现裂隙扩展优先从裂隙尖端开始。Huang等[28]针对预制3 种双裂隙的类岩石试件，采用ANSYS AUTODYN 2D 数值模拟软件来验证三轴压缩试验，发现数值结果与试验结果一致，裂隙扩展和贯通过程不仅与已有裂隙的几何形状有关，还与围压有关，且与围压相比，预制裂隙几何形状对试件峰值强度的影响更大。

2 含裂隙类岩石试验研究的相关设备

现有的室内三轴试验机功能系统主要包括数据采集和加载系统。为了进行裂隙类岩石试块裂纹扩展试验，武东阳等[29]在利用MTS816 岩石伺服试验机进行单轴压缩试验的同时采用了声发射和数字照相技术，对裂纹扩展的过程进行监测与记录，并对试件进行连续拍摄，直至试件破坏，以记录加载过程中试件表面的位移变化，如图1 所示。从类岩石试件应力、声发射与表面应变特征的关系中可以看出，裂隙类岩石试件的应力与声发射以及表面应变特征之间存在显著的相关性。

图1 试验设备(Fig.1 Test equipment)

如图2 所示，为了实时监测岩石表面的应变场变化特征，郭奇峰等[30]在声发射的基础上增加了VIC-3D型三维表面应变场测量系统，以声发射的突变信息为依据，并结合压缩试验过程表面最大的主应变分布来确定裂隙的起裂位置、起裂顺序以及岩石破裂模式。Zhou 等[31]为深入研究在静态地应力与动态扰动同时作用下岩石破坏的特征，采用改进的霍普金森杆进行冲击试验。为了研究微观结构对试样强度的影响，袁璞等[32]对试件进行扫描电镜试验，发现试件的松散会导致强度的劣化。

图2 表面应变场测量试验(Fig.2 Surface strain field measurement test)

3 含裂隙类岩石力学特性研究的发展趋势

由于深部巷道围岩处于“三高一扰动”的繁杂力学环境中，同时受到高地应力、高地温、高渗透压和强烈开采扰动的作用，导致其与浅部岩体的力学特性区别很大。为保证每个试件性质相同，采用类岩石来代替岩石进行试验研究。经过几十年的发展，针对含裂隙类岩石的力学探究，无论是机器研制、开拓性的研究成果，还是学者对其科学的认识，均获得了实质性的进展。基于现阶段的研究，裂隙类岩石力学特性研究的发展趋势包括如下几点：

（1） 关于材料方面，深部巷道往往涉及多种岩石，在岩石交界处不同种类岩石表现出的力学特性不同，目前研究对象基本上是相同材料的含裂隙类岩石，未来可针对不同材料和不同几何形状裂隙的耦合情况进行含裂隙类岩石的力学试验。

（2） 关于锚杆方面，锚杆可增强岩体的力学性能，并具有抑制其变形的作用，目前关于加锚杆的含裂隙类岩石的试验仅为单裂隙，未来可针对锚杆与多裂隙耦合的情况进行含裂隙类岩石的力学试验。

（3） 关于渗流方面，孔隙静水压力和孔隙动水压力均能降低岩石的强度，这会严重影响深部围岩的力学特性，目前很少考虑渗流对含裂隙类岩石试验的影响，未来可针对渗流情况进行含裂隙类岩石的力学试验。

（4） 关于扰动方面，在扰动的影响下深部围岩变形量增大，这大大降低了岩石的力学性能，目前很少考虑扰动对含裂隙类岩石试验的影响，未来可针对扰动情况进行含裂隙类岩石的力学试验。

4 结语

研究人员在裂隙类岩石力学特性方面已经取得丰富的研究成果，对深入了解裂隙类岩石特性起到了至关重要的作用，今后可在以下方面进行深入研究：

（1） 在实际工程中裂隙往往是不规则的，其受力也并不单一，应针对存在不规则缺陷的类岩石进行双轴压缩试验和三轴压缩试验，为实际工程提供更好的借鉴。

（2） 由于地下工程同时承受高地应力和孔隙水压力，因此有必要分析多重应力下的力学特性。

（3） 由于模拟软件的精确性还有提升空间，因此可以改进模拟程序，来提高数值模拟的速度和精确度，进而提高数值模拟的使用率。

（4） 类岩石试件的制备过程繁杂，其步骤越多，出错的可能性就越大。因此可对裂隙类岩石试件的制作设备进行改进，提高机械化和智能化操作水平，降低在含裂隙类岩石试件制备过程中产生的误差。