.44 工程科学学报，第41卷，第1期 initiation angle increases monotonically,and the failure mode of the rock sample changes from shear failure to tensile failure.The me- chanical properties and crack initiation characteristics of real-fracture rock samples can more accurately reveal the strength characteris- tics and failure modes of fissured granite,and thereby provide a scientific basis for the support of fractured rock masses and geotechni- cal engineering design. KEY WORDS granite with pre-existing cracks;uniaxial compression;strength characteristics;crack initiation angle;failure mode 天然岩体是一种非均质，由不同节理、裂隙、夹 性仍存在着一定差距o] 层等组成的各向异性的非连续介质[1】.许多岩土 因此研究真实裂隙岩石材料的强度特征及裂隙 工程的失稳和破坏都是由岩体内部裂隙的扩展和贯 扩展规律至关重要.杨圣奇等[41-4]使用真实大理 通诱发而造成[2-)，节理裂隙的力学性质和破裂特 岩试样，对断续预制裂隙的单轴和三轴压缩特性进 征通常决定了整个岩体的承载能力与断裂模 行了试验研究，获得了不同围压下断续裂隙大理岩 式[6-).因此，深入研究岩体裂隙的起裂扩展规律、 的变形、强度特性以及裂隙产状对岩石破裂特征的 含裂隙岩体的强度与变形、破坏特征具有重要的工 影响规律，研究成果更真实的还原岩体的破裂特性， 程意义 对工程设计和数值分析时断续裂隙大理岩力学参数 现阶段对裂隙岩体力学特性和破裂模式的研究 的选取提供了更可靠、更科学的依据.研究中预制 主要集中于类岩石材料模型试验和数值模拟试验， 裂隙是由试样边界向内切割，此切割方式加工工艺 少有研究分析真实裂隙岩石材料的强度特征及裂隙 较为简单，但与试样内裂隙的破裂特征仍存在差别. 演化规律 李银平等)]将裂隙预制在大理岩岩石试样中心，并 类岩石材料模型试验基于相似理论[)，通过正 通过压剪试验证实了岩石试样与类岩石材料试样破 交试验、全因素试验等手段[-12】，采用如石音[3-4]、 裂特征的不同，表明模型材料不能完全模拟真实岩 白水泥15-16]、水泥和石英砂17-2]以及其他添加 体的特征.但试验中预制裂隙试样加工精度较差， 剂[2”-25]得到类岩石材料相似配比，进而以相似材料 试样中心形成直径6mm的圆孔和0.5~1mm宽度 试样的力学性质和破坏特点表征岩石材料.但研究 不均的裂缝 中相似材料的选取、配比的选择仍存在很大的不准 为了最大程度探究真实裂隙岩石的力学特征， 确性，材料配比通常选用与岩石试样力学参数成一 本次研究对象选定为取自三山岛金矿的花岗岩试 定比例的模型作为试验对象.同时，预制裂隙的人 件，因此避免了相似试验中的多种不确定因素对试 为影响大，以金属薄片[26-列]、树脂薄片[2-31]、聚四氟 验数据和结论的影响.为了提高加工精度，采用水 乙烯薄片32]等作为制备裂隙的工具，在相似材料初 刀切割和线切割技术预制宽度为0.3mm,角度为0° 凝前拔出，操作过程中存在裂隙重新闭合、人为晃动 ~90°的裂隙岩石试件，通过单轴压缩试验，揭示单 造成同一批试件裂隙宽度不同、裂隙角度不准确等 裂隙花岗岩的力学特征与破坏模式，为矿山井下工 问题，在以往研究中均回避了这些操作问题对试验 程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据. 结果的影响.类岩石材料选取方面，崔玉龙[)]、黄 明利与黄凯珠[34)、付金伟等[3]和郭彦双等361采用 1岩性特征与岩样加工 了有机玻璃或透明树脂材料，这种材料便于观察内 试验所使用岩石取自于山东黄金集团三山岛金 部裂纹的扩展情况，却忽视了岩石本身的各向异性、 矿的绢英岩化花岗岩，平均密度在2.60g·cm-3,纵 非均质等特点，虽然林恒星等[3]在树脂材料内嵌入 波速度为4950m·s',岩样按照国际岩石力学学会 骨料来解决各项异性的问题，但岩石材料的强度和 (ISRM)的要求，加工成50mm×100mm的标准圆 弹性模量是树脂材料不能模拟的 柱形试样.设计花岗岩试样预制裂隙为贯穿裂隙， 数值模拟试验近年来快速发展并广泛应用于解 宽度0.3mm,长度20mm.裂隙与加载方向的夹角 决复杂工程问题，杨圣奇等利用材料破裂过程分析 为B,裂纹起裂角为日，如图1所示. 计算方法(RFPA)和颗粒流(PFC)[38-39]等数值模拟 切割裂隙是加工中的难点，为了在花岗岩试样 程序研究了单裂隙、多裂隙岩体的单轴、双轴和三轴 中心切割宽度为0.3mm的裂隙，采用水刀与线切割 强度特征及裂隙起裂、扩展规律，为工程提供了大量 设备，首先对标准尺寸的试样进行水刀穿孔，孔径 的数据参考，但数值模型仍不能与岩石本身的非均 2.0mm,深度贯穿试样：随后采用线切割设备切割 质特性相匹配.模拟结果与岩石材料真实的力学特 形成角度0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，宽度0.3工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 initiation angle increases monotonically, and the failure mode of the rock sample changes from shear failure to tensile failure. The me鄄 chanical properties and crack initiation characteristics of real鄄fracture rock samples can more accurately reveal the strength characteris鄄 tics and failure modes of fissured granite, and thereby provide a scientific basis for the support of fractured rock masses and geotechni鄄 cal engineering design. KEY WORDS granite with pre鄄existing cracks; uniaxial compression; strength characteristics; crack initiation angle; failure mode 天然岩体是一种非均质,由不同节理、裂隙、夹 层等组成的各向异性的非连续介质[1鄄鄄2] . 许多岩土 工程的失稳和破坏都是由岩体内部裂隙的扩展和贯 通诱发而造成[2鄄鄄5] ,节理裂隙的力学性质和破裂特 征 通 常 决 定 了 整 个 岩 体 的 承 载 能 力 与 断 裂 模 式[6鄄鄄9] . 因此,深入研究岩体裂隙的起裂扩展规律、 含裂隙岩体的强度与变形、破坏特征具有重要的工 程意义. 现阶段对裂隙岩体力学特性和破裂模式的研究 主要集中于类岩石材料模型试验和数值模拟试验, 少有研究分析真实裂隙岩石材料的强度特征及裂隙 演化规律. 类岩石材料模型试验基于相似理论[10] ,通过正 交试验、全因素试验等手段[11鄄鄄12] ,采用如石膏[13鄄鄄14] 、 白水泥[15鄄鄄16] 、水 泥 和 石 英 砂[17鄄鄄21] 以 及 其 他 添 加 剂[22鄄鄄25]得到类岩石材料相似配比,进而以相似材料 试样的力学性质和破坏特点表征岩石材料. 但研究 中相似材料的选取、配比的选择仍存在很大的不准 确性,材料配比通常选用与岩石试样力学参数成一 定比例的模型作为试验对象. 同时,预制裂隙的人 为影响大,以金属薄片[26鄄鄄27] 、树脂薄片[28鄄鄄31] 、聚四氟 乙烯薄片[32]等作为制备裂隙的工具,在相似材料初 凝前拔出,操作过程中存在裂隙重新闭合、人为晃动 造成同一批试件裂隙宽度不同、裂隙角度不准确等 问题,在以往研究中均回避了这些操作问题对试验 结果的影响. 类岩石材料选取方面,崔玉龙[33] 、黄 明利与黄凯珠[34] 、付金伟等[35] 和郭彦双等[36] 采用 了有机玻璃或透明树脂材料,这种材料便于观察内 部裂纹的扩展情况,却忽视了岩石本身的各向异性、 非均质等特点,虽然林恒星等[37] 在树脂材料内嵌入 骨料来解决各项异性的问题,但岩石材料的强度和 弹性模量是树脂材料不能模拟的. 数值模拟试验近年来快速发展并广泛应用于解 决复杂工程问题,杨圣奇等利用材料破裂过程分析 计算方法(RFPA)和颗粒流(PFC) [38鄄鄄39] 等数值模拟 程序研究了单裂隙、多裂隙岩体的单轴、双轴和三轴 强度特征及裂隙起裂、扩展规律,为工程提供了大量 的数据参考,但数值模型仍不能与岩石本身的非均 质特性相匹配. 模拟结果与岩石材料真实的力学特 性仍存在着一定差距[40] . 因此研究真实裂隙岩石材料的强度特征及裂隙 扩展规律至关重要. 杨圣奇等[41鄄鄄43] 使用真实大理 岩试样,对断续预制裂隙的单轴和三轴压缩特性进 行了试验研究,获得了不同围压下断续裂隙大理岩 的变形、强度特性以及裂隙产状对岩石破裂特征的 影响规律,研究成果更真实的还原岩体的破裂特性, 对工程设计和数值分析时断续裂隙大理岩力学参数 的选取提供了更可靠、更科学的依据. 研究中预制 裂隙是由试样边界向内切割,此切割方式加工工艺 较为简单,但与试样内裂隙的破裂特征仍存在差别. 李银平等[2]将裂隙预制在大理岩岩石试样中心,并 通过压剪试验证实了岩石试样与类岩石材料试样破 裂特征的不同,表明模型材料不能完全模拟真实岩 体的特征. 但试验中预制裂隙试样加工精度较差, 试样中心形成直径 6 mm 的圆孔和 0郾 5 ~ 1 mm 宽度 不均的裂缝. 为了最大程度探究真实裂隙岩石的力学特征, 本次研究对象选定为取自三山岛金矿的花岗岩试 件,因此避免了相似试验中的多种不确定因素对试 验数据和结论的影响. 为了提高加工精度,采用水 刀切割和线切割技术预制宽度为 0郾 3 mm,角度为 0毅 ~ 90毅的裂隙岩石试件,通过单轴压缩试验,揭示单 裂隙花岗岩的力学特征与破坏模式,为矿山井下工 程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据. 1 岩性特征与岩样加工 试验所使用岩石取自于山东黄金集团三山岛金 矿的绢英岩化花岗岩,平均密度在 2郾 60 g·cm - 3 ,纵 波速度为 4950 m·s - 1 ,岩样按照国际岩石力学学会 (ISRM)的要求,加工成 准50 mm 伊 100 mm 的标准圆 柱形试样. 设计花岗岩试样预制裂隙为贯穿裂隙, 宽度 0郾 3 mm,长度 20 mm. 裂隙与加载方向的夹角 为 茁,裂纹起裂角为 兹,如图 1 所示. 切割裂隙是加工中的难点,为了在花岗岩试样 中心切割宽度为 0郾 3 mm 的裂隙,采用水刀与线切割 设备,首先对标准尺寸的试样进行水刀穿孔,孔径 2郾 0 mm,深度贯穿试样;随后采用线切割设备切割 形成角度 0毅、15毅、30毅、45毅、60毅、75毅和 90毅,宽度 0郾 3 ·44·