第12期 李远等：岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析 ·1365· 光结合岩石峰后本构试验结果，建立基于脆性 大能量释放率理论和最大张应力理论.李世愚 硬岩的Mine-by隧道剪胀模型，得到了与实际破坏 等对理想脆性材料的受压条件下的裂缝的扩展 范围较为一致的结果.Cai等o采用模拟和理论分 进行了试验和理论研究，如图2所示.研究结果显 析手段对单轴压缩条件下的破坏形式和裂隙演化进 示，脆性材料的破坏是一种张拐式裂纹破坏模式，不 行了分析；Peg等的也提出了岩石剪切破坏过程理 同类型的裂隙组合可以使材料的整体强度有不同程 论，如图1所示，图中σo、oeo和σa分别为初试 度的降低，但是目前对裂隙组合条件下的破坏分析 应力、裂隙闭合应力、裂隙扩展应力和裂隙破坏 只限于定性分析或者简单裂隙组合下的定量分析. 应力 天然岩体材料中，岩石的张性破裂强度不等同于实 验室内的简单裂隙组合计算结果，虽然从理论上能 初始应力阶段 起始压密阶段 得到一些定性的结果，但根据相应裂隙发展路径得 到具体岩样破裂强度的想法，也由于天然岩体裂隙 组合复杂多变的原因而不可实现.因而，针对此种 破坏类型的计算分析及工程应用还应从宏观可测物 理量来寻求能反映整体规律的解决方法 裂隙扩展阶段 剪切破坏阶段 图2不同裂隙组合条件下的玻璃材料破裂试验照片 Fig.2 Fracture photos of glass materials with different microcrack 图1岩石单轴破坏过程示意图回 combinations Fig.I Sketch map of the rock failure process during uniaxial com- pressive test 以Mohr-Coulomb强度理论和Tresca理论等为 代表的剪切破坏理论是目前岩石材料强度分析的主 上述理论建立在宏观岩石力学强度理论基础 要理论.剪切破坏理论认为破裂面沿自身所在平面 上，无法对岩石破坏过程中脆性破损的族簇裂隙出 持续扩展，Mohr-Coulomb理论给出了岩石破坏面角 现和发展的现象进行分析，因此在脆性剪切破坏的 度计算方法，见图3，其中σ和？分别为正应力和剪 计算分析中需加入岩石断裂力学的理论补充.近年 应力，σ1和σ3分别为单元最大和最小主应力，0为 来发展的岩石断裂力学虽然能够从原理上解释单裂 破坏面倾角，φ为内摩擦角. 隙和双裂隙简单情况下的岩石类似拉破坏的破坏现 象，但目前尚缺乏有效理论和数据分析来进行工程 应用方面的研究. 因此，本文综合断裂力学和岩石弹塑性力学机 理，对岩石脆性剪切破坏机制进行研究，结合自身工 6 程试验数据建立适合深脆性剪切破坏机制下的强度 分析方法，并对具体工程进行稳定性分析，提出工程 建议. 图3σ一坐标下莫尔库伦强度理论示意图 Fig.3 Schematic illustration of the Mohr-Coulomb strength theory 1脆性剪切强度理论的提出 under a o reference frame 1.1脆断破坏与剪切破坏的机理及其关系 从莫尔圆分析中可以得到，剪切破坏条件下岩 脆断破坏是断裂力学研究的主要破坏形式.断 石破坏面角度为45°+φ2，因此剪切破坏理论无法 裂力学中，针对裂隙开展的判据也分为四大类，即最 解释岩石材料破坏中出现的折拐张性裂隙扩展情 大周向应力理论、应变能密度因子理论、最大能量释 况，对部分脆性岩石在单轴压缩条件下出现的竖向 放率理论和最大张应力理论，其中应用较广的是最 破裂面也不能给出合理的分析结果.但是，从岩石第 12 期 李 远等: 岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析 光［8--9］结合岩石峰后本构试验结果，建立基于脆性 硬岩的 Mine-by 隧道剪胀模型，得到了与实际破坏 范围较为一致的结果． Cai 等［10］采用模拟和理论分 析手段对单轴压缩条件下的破坏形式和裂隙演化进 行了分析; Peng 等［5］也提出了岩石剪切破坏过程理 论，如图 1 所示，图中 σ0、σcc、σci和 σcd分别为初试 应 力、裂 隙 闭 合 应 力、裂隙扩展应力和裂隙破坏 应力． 图 1 岩石单轴破坏过程示意图［5］ Fig． 1 Sketch map of the rock failure process during uniaxial com￾pressive test 上述理论建立在宏观岩石力学强度理论基础 上，无法对岩石破坏过程中脆性破损的族簇裂隙出 现和发展的现象进行分析，因此在脆性剪切破坏的 计算分析中需加入岩石断裂力学的理论补充． 近年 来发展的岩石断裂力学虽然能够从原理上解释单裂 隙和双裂隙简单情况下的岩石类似拉破坏的破坏现 象，但目前尚缺乏有效理论和数据分析来进行工程 应用方面的研究． 因此，本文综合断裂力学和岩石弹塑性力学机 理，对岩石脆性剪切破坏机制进行研究，结合自身工 程试验数据建立适合深脆性剪切破坏机制下的强度 分析方法，并对具体工程进行稳定性分析，提出工程 建议． 1 脆性剪切强度理论的提出 1. 1 脆断破坏与剪切破坏的机理及其关系 脆断破坏是断裂力学研究的主要破坏形式． 断 裂力学中，针对裂隙开展的判据也分为四大类，即最 大周向应力理论、应变能密度因子理论、最大能量释 放率理论和最大张应力理论，其中应用较广的是最 大能量释放率理论和最大张应力理论． 李 世 愚 等［11］对理想脆性材料的受压条件下的裂缝的扩展 进行了试验和理论研究，如图 2 所示． 研究结果显 示，脆性材料的破坏是一种张拐式裂纹破坏模式，不 同类型的裂隙组合可以使材料的整体强度有不同程 度的降低，但是目前对裂隙组合条件下的破坏分析 只限于定性分析或者简单裂隙组合下的定量分析． 天然岩体材料中，岩石的张性破裂强度不等同于实 验室内的简单裂隙组合计算结果，虽然从理论上能 得到一些定性的结果，但根据相应裂隙发展路径得 到具体岩样破裂强度的想法，也由于天然岩体裂隙 组合复杂多变的原因而不可实现． 因而，针对此种 破坏类型的计算分析及工程应用还应从宏观可测物 理量来寻求能反映整体规律的解决方法． 图 2 不同裂隙组合条件下的玻璃材料破裂试验照片 Fig． 2 Fracture photos of glass materials with different microcrack combinations 以 Mohr-Coulomb 强度理论和 Tresca 理论等为 代表的剪切破坏理论是目前岩石材料强度分析的主 要理论． 剪切破坏理论认为破裂面沿自身所在平面 持续扩展，Mohr-Coulomb 理论给出了岩石破坏面角 度计算方法，见图 3，其中 σ 和 τ 分别为正应力和剪 应力，σ1 和 σ3 分别为单元最大和最小主应力，θ 为 破坏面倾角，φ 为内摩擦角． 图 3 σ--τ 坐标下莫尔库伦强度理论示意图 Fig． 3 Schematic illustration of the Mohr-Coulomb strength theory under a σ-τ reference frame 从莫尔圆分析中可以得到，剪切破坏条件下岩 石破坏面角度为 45° + φ/2，因此剪切破坏理论无法 解释岩石材料破坏中出现的折拐张性裂隙扩展情 况，对部分脆性岩石在单轴压缩条件下出现的竖向 破裂面也不能给出合理的分析结果． 但是，从岩石 ·1365·