王佩新等：单压下节理密度及顿角对类岩石试件强度及变形的影响 ·495 categories:tension failure,shear failure,and mixed failure. KEY WORDS rocklike specimens;rockjoints;inclination angle:density:uniaxial compression:peak strength:elastic modulus; failure modes 天然岩体和工程岩体中均普遍存在成因不同的节 纹扩展与贯通模式的影响，对节理的其他变量如粗糙 理、层理、裂隙、断层等多种软弱结构面，这些软弱结构 度、密度、张开度、连通率及这些变量组合条件下的力 面的存在对岩体的力学特征及变形破坏机制起到了不 学特性和变形破坏规律的研究较少，而天然岩体是复 同程度的影响.在土木、采矿、交通等岩体工程中，为 杂的多相材料，其节理的几何分布条件不一，节理的变 了保证这些工程得到安全、经济及合理的设计与施工， 量复杂，会对岩体的力学特性产生较大影响.为此，本 工程师对节理岩体的力学特性及破坏机制有一个正确 文通过预制张开的多节理类岩石试件进行单轴压缩试 的认识至关重要 验，系统研究在节理分布密度与节理倾角双重因素影 目前，考虑到现场大型原位试验成本高，难度大， 响下岩石强度及变形破坏规律 国内外学者主要采用室内实验和数值模拟对节理岩体 的力学性质及破坏机制进行了大量的研究- 1试验概况 Lajitai0利用含2条节理的石膏试件进行直剪试验1.1试件制备 研究节理岩体的剪切破坏形式：Bobet和Einstein因通 将C42.5的白水泥、水及砂子（粒径小于 过预制两条张开或闭合节理的石膏试件研究其在单轴 1.05mm)按体积比2：1：1在室温下制作，试件外形尺 及双轴压缩条件下的裂纹萌生、扩展和贯通行为：在前 寸为200mm×150mm×30mm.采用预埋0.4mm厚度 人的基础上，Yang等采用预制节理的大理岩研究节 的铝合金薄片的方法，预制节理为贯通厚度的对齐排 理的倾角对岩体的强度、弹性模量和峰值应变的影响： 列裂隙，裂隙长度均为20mm,在试件初凝未凝之前拔 蒲成志等可通过预制2条贯通裂隙的类岩石试件研究 出铝合金薄片，并于室温下养护24h拆模，再养护 单轴压缩条件下不同裂隙倾角的材料破坏模式；李树 28d. 忱等采用预制贯通节理的水泥砂浆试件研究节理倾 节理倾角α的值分别设为25°、45°、75°和90°，每 角对峰后变形破坏的影响；张伟等”利用水泥砂浆试 组预制的有序节理数量分别有5、10、15、20和30条， 件进一步研究在动、静载荷作用下不同节理倾角对其 每5条设一行，每个类型试件各制作3个.为减少端 力学特性的影响：而陈新等圆则利用预制节理石膏试 面效应对节理破坏的影响，节理与上下端面要有一定 件研究节理倾角及连通率的组合作用对岩体强度和变 的间隔，并保证节理尽量均衡分布，综合考量下，试件 形的影响. 节理分布方式如图1所示（以25°为例），其节理中心 在室内类岩石试验中，主要研究节理倾角在不同 水平间距不变，均为30mm,调节其节理中间的行间 试验条件下对预制节理试件的力学性质、破坏模式、裂 距，分别为0、100、50、40和32mm. 150 330300 导的 5条节理 10条节理 15条节理 20条节理 30条节理 图1试件节理分布方式（单元：mm) Fig.I Distribution pattern of joints whithin the specimen (unit:mm) 1.2试验设备及加载条件 端部与刚性承压板之间涂抹黄油.在试验过程中，采 单轴压缩试验在高精度微机控制电液伺服试验机 用高清数码相机记录试件表面破坏过程以便于后期对 (见图2)上完成.试验中，主轴采用力控加载方式，速 试件破坏过程进行分析. 度为200N·s,并于试件中部横向放置千分表，用来 在此试验条件下，对完整模型材料试件进行巴西 观测试件在受压过程中的横向变形状况.在试验进行 劈裂试验、单轴压缩试验等，测得完整类岩石试件的物 之前，为减弱端部效应对试验结果的影响，预先在试件 理力学参数（如表1所示）王佩新等: 单压下节理密度及倾角对类岩石试件强度及变形的影响 categories: tension failure，shear failure，and mixed failure． KEY WOＲDS rock-like specimens; rockjoints; inclination angle; density; uniaxial compression; peak strength; elastic modulus; failure modes 天然岩体和工程岩体中均普遍存在成因不同的节 理、层理、裂隙、断层等多种软弱结构面，这些软弱结构 面的存在对岩体的力学特征及变形破坏机制起到了不 同程度的影响． 在土木、采矿、交通等岩体工程中，为 了保证这些工程得到安全、经济及合理的设计与施工， 工程师对节理岩体的力学特性及破坏机制有一个正确 的认识至关重要． 目前，考虑到现场大型原位试验成本高，难度大， 国内外学者主要采用室内实验和数值模拟对节理岩体 的力 学 性 质 及 破 坏 机 制 进 行 了 大 量 的 研 究［1--12］． Lajitai［1--2］利用含 2 条节理的石膏试件进行直剪试验 研究节理岩体的剪切破坏形式; Bobet 和 Einstein［3］通 过预制两条张开或闭合节理的石膏试件研究其在单轴 及双轴压缩条件下的裂纹萌生、扩展和贯通行为; 在前 人的基础上，Yang 等［4］采用预制节理的大理岩研究节 理的倾角对岩体的强度、弹性模量和峰值应变的影响; 蒲成志等［5］通过预制 2 条贯通裂隙的类岩石试件研究 单轴压缩条件下不同裂隙倾角的材料破坏模式; 李树 忱等［6］采用预制贯通节理的水泥砂浆试件研究节理倾 角对峰后变形破坏的影响; 张伟等［7］利用水泥砂浆试 件进一步研究在动、静载荷作用下不同节理倾角对其 力学特性的影响; 而陈新等［8］则利用预制节理石膏试 件研究节理倾角及连通率的组合作用对岩体强度和变 形的影响． 在室内类岩石试验中，主要研究节理倾角在不同 试验条件下对预制节理试件的力学性质、破坏模式、裂 纹扩展与贯通模式的影响，对节理的其他变量如粗糙 度、密度、张开度、连通率及这些变量组合条件下的力 学特性和变形破坏规律的研究较少，而天然岩体是复 杂的多相材料，其节理的几何分布条件不一，节理的变 量复杂，会对岩体的力学特性产生较大影响． 为此，本 文通过预制张开的多节理类岩石试件进行单轴压缩试 验，系统研究在节理分布密度与节理倾角双重因素影 响下岩石强度及变形破坏规律． 1 试验概况 1. 1 试件制备 将 C42. 5 的 白 水 泥、水 及 砂 子 ( 粒 径 小 于 1. 05 mm) 按体积比 2∶ 1∶ 1在室温下制作，试件外形尺 寸为 200 mm × 150 mm × 30 mm． 采用预埋 0. 4 mm 厚度 的铝合金薄片的方法，预制节理为贯通厚度的对齐排 列裂隙，裂隙长度均为 20 mm，在试件初凝未凝之前拔 出铝 合 金 薄 片，并 于 室 温 下 养 护 24 h 拆 模，再 养 护 28 d． 节理倾角 α 的值分别设为 25°、45°、75°和 90°，每 组预制的有序节理数量分别有 5、10、15、20 和 30 条， 每 5 条设一行，每个类型试件各制作 3 个． 为减少端 面效应对节理破坏的影响，节理与上下端面要有一定 的间隔，并保证节理尽量均衡分布，综合考量下，试件 节理分布方式如图 1 所示( 以 25°为例) ，其节理中心 水平间距不变，均为 30 mm，调节其节理中间的行间 距，分别为 0、100、50、40 和 32 mm． 图 1 试件节理分布方式( 单元: mm) Fig． 1 Distribution pattern of joints whithin the specimen ( unit: mm) 1. 2 试验设备及加载条件 单轴压缩试验在高精度微机控制电液伺服试验机 ( 见图 2) 上完成． 试验中，主轴采用力控加载方式，速 度为 200 N·s － 1，并于试件中部横向放置千分表，用来 观测试件在受压过程中的横向变形状况． 在试验进行 之前，为减弱端部效应对试验结果的影响，预先在试件 端部与刚性承压板之间涂抹黄油． 在试验过程中，采 用高清数码相机记录试件表面破坏过程以便于后期对 试件破坏过程进行分析． 在此试验条件下，对完整模型材料试件进行巴西 劈裂试验、单轴压缩试验等，测得完整类岩石试件的物 理力学参数( 如表 1 所示) ． · 594 ·