·48. 工程科学学报，第41卷，第1期 根据公式(12)，设： 90 f(B)=sin'B(cu sin'B+2cpsin Bcos B+czcos'B) 80 -本文试验值 。本文最大畸变能准则 70 ·林拜松最大剪应力准则 (13) 60 蒋玉川最大塑性区准则 。-最大周向拉应力准则 因此 40 16μ f(B)= oa (14) 30 20 由式(14)可得f八B)与轴向荷载σ2呈反比例关 o 系.图7中黑色和红色曲线分别描述了f(B)和单轴 102030405060708090 ) 抗压强度与B的关系 图8裂隙倾角B与起裂角8的关系 2.5 7150 Fig.8 Relation between and crack angle B 2.0 120 高的一致性 90 (2)裂隙角B对破裂模式的影响 10 60 图9展示了单轴压缩条件下完整试样和单裂隙 0.5 30 试样的最终破裂模式，其中裂纹主要分为张拉裂纹 (T)和剪切裂纹(S).图9(a)由一条倾斜的剪切裂 10203040.5060708090 纹贯穿试样并形成最终的破裂面，是典型的剪切破 坏模式.图9(b)中，预制裂隙端部由剪应力作用形 图7f(B)-B-单轴抗压强度的关系 Fig.7 Relations of crack angle B withf(B)and uniaxial compressive 成剪切裂纹，通过对预制裂纹破坏前后位移变化观 strength 测裂纹呈滑开型开裂.局部产生张拉裂纹.单轴压 缩状态下的纯Ⅱ型裂纹沿原生裂隙方向起裂，倾角 当畸变能密度因子取最大值S时，σ=σ，图 为0°的单裂隙岩石以剪切裂纹起裂并呈现滑开型 7可知，B=72时，f(B)最大，因而σ最小，此时的 破坏.图9(c)和图(d)中，剪应力作用形成了端部 裂隙岩样单轴抗压强度最低，与试验中B=75时， 翼裂纹而拉应力作用形成反翼裂纹，两种裂纹随外 岩样抗压强度最低为25.91MPa的试验结果基本 荷载的增加与预制裂隙联通并形成破裂面.随裂隙 一致 倾角B的增加，张拉裂纹逐渐增多，当B≥75时，张 4.2裂隙角B对岩石破裂特征的影响 拉裂纹占主导地位，而且起裂位置发生变化，下部裂 (1)裂隙角B对岩石起裂角0的影响. 纹由预制裂隙中间起裂并沿外荷载方向扩展至试样 裂隙起裂是研究裂隙岩体破裂特征的重要内 底端.B=90°时，试样在拉应力作用下形成三条张 容，通过裂纹尖端在加载过程中的畸变能判定单轴 拉裂纹，试样主要以张拉破裂为主，局部产生剪切破 压缩条件下单裂隙花岗岩起裂类型及特征 裂.单轴压缩状态下的纯I型裂纹垂直于原生裂隙 通过数值计算方法，求解式(11)得到起裂角9， 方向起裂，并沿外荷载方向扩展，倾角为90°的单裂 将计算结果与试验值、最大周向拉应力准则、林拜 隙岩石以张拉裂纹起裂并呈现张开型破坏.裂隙倾 松[]的最大剪应力准则和蒋玉川与胡兴福[]的最 角大于0°小于90时，裂纹在复合应力作用下起裂 大塑性区准则对比，结果如图8所示 并呈现出随倾角增加张拉裂纹增多，剪切裂纹减少 计算结果表明：起裂角随裂隙倾角的增加而增 的变化特征.不同倾角的裂隙岩石单轴压缩状态下 大，当预制裂隙倾角B=0°时，试验中裂隙起裂角 的起裂角试验结果与断裂理论计算结果相一致. 0≈0°，裂纹沿预制裂隙方向起裂并打展，与纯型 简而言之，裂隙的存在明显改变了岩石的破坏 剪切裂纹的理论解相等，可得B=0°的裂隙起裂由 模式，而且破坏模式随着预制裂隙倾角的不同而发 剪切应力作用形成滑开型裂纹.当预制裂隙倾角B 生改变，随着倾角的增大，岩石试样的破坏模式由剪 =90时，试验中裂隙起裂角0=87°，与纯I型裂纹 切破坏为主转变为张拉破坏占主导. 的理论解基本相等，可认为B=90的裂隙起裂由拉 5结论 应力作用形成张拉型裂纹.文中所采用并建立的畸 变能最大准则与林拜松的最大剪应力准则和蒋玉川 (1)提出了岩石预制裂隙新的切割方法，并通 的最大塑性区准则在预测裂纹起裂角度方面取得较 过对完整与圆孔岩样的单轴压缩试验从强度、破裂工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 根据公式(12),设: f(茁) = sin 2 茁(c11 sin 2 茁 + 2c12 sin 茁cos 茁 + c22 cos 2 茁) (13) 因此 f(茁) = 16S滋 滓 2 a (14) 由式(14)可得 f(茁)与轴向荷载 滓 2呈反比例关 系. 图 7 中黑色和红色曲线分别描述了 f(茁)和单轴 抗压强度与 茁 的关系. 图 7 f(茁)鄄鄄 茁鄄鄄单轴抗压强度的关系 Fig. 7 Relations of crack angle 茁 with f(茁) and uniaxial compressive strength 当畸变能密度因子取最大值 Smax时,滓 = 滓cr,图 7 可知,茁 = 72毅时,f( 茁) 最大,因而 滓cr最小,此时的 裂隙岩样单轴抗压强度最低,与试验中 茁 = 75毅时, 岩样抗压强度最低为 25郾 91 MPa 的试验结果基本 一致. 4郾 2 裂隙角 茁 对岩石破裂特征的影响 (1) 裂隙角 茁 对岩石起裂角 兹 的影响. 裂隙起裂是研究裂隙岩体破裂特征的重要内 容,通过裂纹尖端在加载过程中的畸变能判定单轴 压缩条件下单裂隙花岗岩起裂类型及特征. 通过数值计算方法,求解式(11)得到起裂角 兹, 将计算结果与试验值、最大周向拉应力准则、林拜 松[48]的最大剪应力准则和蒋玉川与胡兴福[49] 的最 大塑性区准则对比,结果如图 8 所示. 计算结果表明:起裂角随裂隙倾角的增加而增 大,当预制裂隙倾角 茁 = 0毅时,试验中裂隙起裂角 兹抑0毅,裂纹沿预制裂隙方向起裂并扩展,与纯域型 剪切裂纹的理论解相等,可得 茁 = 0毅的裂隙起裂由 剪切应力作用形成滑开型裂纹. 当预制裂隙倾角 茁 = 90毅时,试验中裂隙起裂角 兹 = 87毅,与纯玉型裂纹 的理论解基本相等,可认为 茁 = 90毅的裂隙起裂由拉 应力作用形成张拉型裂纹. 文中所采用并建立的畸 变能最大准则与林拜松的最大剪应力准则和蒋玉川 的最大塑性区准则在预测裂纹起裂角度方面取得较 图 8 裂隙倾角 茁 与起裂角 兹 的关系 Fig. 8 Relation between 兹 and crack angle 茁 高的一致性. (2) 裂隙角 茁 对破裂模式的影响. 图 9 展示了单轴压缩条件下完整试样和单裂隙 试样的最终破裂模式,其中裂纹主要分为张拉裂纹 (T)和剪切裂纹(S). 图 9(a)由一条倾斜的剪切裂 纹贯穿试样并形成最终的破裂面,是典型的剪切破 坏模式. 图 9(b)中,预制裂隙端部由剪应力作用形 成剪切裂纹,通过对预制裂纹破坏前后位移变化观 测裂纹呈滑开型开裂. 局部产生张拉裂纹. 单轴压 缩状态下的纯域型裂纹沿原生裂隙方向起裂,倾角 为 0毅的单裂隙岩石以剪切裂纹起裂并呈现滑开型 破坏. 图 9(c)和图( d)中,剪应力作用形成了端部 翼裂纹而拉应力作用形成反翼裂纹,两种裂纹随外 荷载的增加与预制裂隙联通并形成破裂面. 随裂隙 倾角 茁 的增加,张拉裂纹逐渐增多,当 茁逸75毅时,张 拉裂纹占主导地位,而且起裂位置发生变化,下部裂 纹由预制裂隙中间起裂并沿外荷载方向扩展至试样 底端. 茁 = 90毅时,试样在拉应力作用下形成三条张 拉裂纹,试样主要以张拉破裂为主,局部产生剪切破 裂. 单轴压缩状态下的纯玉型裂纹垂直于原生裂隙 方向起裂,并沿外荷载方向扩展,倾角为 90毅的单裂 隙岩石以张拉裂纹起裂并呈现张开型破坏. 裂隙倾 角大于 0毅小于 90毅时,裂纹在复合应力作用下起裂 并呈现出随倾角增加张拉裂纹增多,剪切裂纹减少 的变化特征. 不同倾角的裂隙岩石单轴压缩状态下 的起裂角试验结果与断裂理论计算结果相一致. 简而言之,裂隙的存在明显改变了岩石的破坏 模式,而且破坏模式随着预制裂隙倾角的不同而发 生改变,随着倾角的增大,岩石试样的破坏模式由剪 切破坏为主转变为张拉破坏占主导. 5 结论 (1)提出了岩石预制裂隙新的切割方法,并通 过对完整与圆孔岩样的单轴压缩试验从强度、破裂 ·48·