韩震宇等：含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 ·1589· spalling also occurs at the surface of the specimen.The specimens with inclined flaws exhibit shear failure or combined shear and tensile failure and the ones with vertical end flaws show axial splitting tensile failure.The variation trend of energy consumption parameters is consistent with that of uniaxial compressive strength.It is found that total strain energy of the specimen is positively correlated with its uniaxial compressive strength.Finally,the difference between mechanical and crack propagation processes of marble specimens with end flaws under dynamic and static loads were compared. KEY WORDS rock mechanics;marble;flaws at the end surfaces;strength;crack propagation;energy evolution 裂隙岩体力学特性一直是岩石力学研究的热 其力学特性的影响规律，并借助高速摄影仪实时 点问题，国内外众多学者针对裂隙岩体强度特征 记录岩石的裂纹扩展过程，最后探讨了动、静载荷 和变形规律进行了研究，取得了丰硕的成果-7 下裂隙力学响应及裂纹演化的异同 Zou等四对预制单裂隙的石膏试样进行单轴压缩 1试验概况 以及动态冲击试验，并且利用高速摄影仪记录其 裂纹扩展过程，发现拉伸裂纹主导岩石的静态破 1.1试样制备 坏过程，而剪切裂纹主导岩石的动态破坏过程； 试验大理岩采自湖南省耒阳市，其平均密度 Li等四基于霍普金森压杆(SHPB)研究了预制单 为2800kgm3,纵波波速约为3586ms1.试样形 裂隙大理岩的动态力学特性，发现含裂隙试样的 状为圆柱体，为便于和动态实验结果比较，加工尺 动态抗压强度与裂隙倾角有关，最后均呈X型剪 寸为50mm×50mm(直径D×高H),另有标准试样 切破坏：李地元等)开展了端部预制双裂隙大理 (50mm×100mm)作为对照，端面不平行度和不垂 岩的动力学试验，结果表明动态抗压强度、峰值应变、 直度均小于0.02mm.试样表面光滑，没有明显缺 动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角的增大 陷.端部裂隙长度为L,倾角为a,宽度为1mm,如 整体先减小后增大，裂纹大多以剪切或拉剪复合 图1所示.试样共有3组：(1)完整试样：（2)含不 形式从预制裂隙尖端起裂，最终破坏模式以及能 同预制裂隙长度的试样，长度L分别为5,10和 量演化与裂隙倾角有关；Bobet和Einstein利用石 15mm(a=90°)；(3)含不同预制裂隙倾角（裂隙与 膏对单、双轴压缩下预制双裂隙的贯通机制进行 端面所夹锐角)的试样，倾角a分别为30°，60°和90° 了试验研究，将贯通模式分为拉伸、剪切、拉剪混 (L=15mm). 合三种；Yang等s-通过含裂隙岩石类材料的单轴 压缩试验以及数值模拟，拓展总结出8种基于双 裂隙的相互贯通模式，并探讨了岩桥倾角对于三 裂隙试样破坏模式的影响：Liu等9-山采用MTS-793 岩石与混凝土材料试验机分析了循环加载作用下多 裂隙岩体的破坏过程，发现其疲劳损伤过程与加 载速率、振幅等参数有关，而破坏模式均呈典型的 图1含双裂隙大理岩试样示意图 劈裂拉伸破坏，同时采用DEM code ESyS-Particle Fig.I Sketch of marble specimens containing two flaws at the end surfaces 模拟了多裂隙岩体的动态疲劳过程，发现其破坏 模式与裂隙几何特征密切相关；Li等2-l和Zhao 1.2试验加载程序 等6)对应力波在节理裂隙处的传播特性进行分 本次试验在中南大学高等研究中心力学实验室 析，建立了应力波衰减的理论模型 MTS322型材料试验机上进行，如图2所示，系统 节理裂隙岩体的研究主要围绕载荷类型、加 施加的最大轴向力为土500kN.试验采用轴向位移 载方式、试验材料、裂隙几何特征等进行，就前三 控制加载方式，加载速率为0.2 mm:min,试验过 种因素而言，已做了相对丰富的研究工作.针对裂 程中在两端分别添加与试样端部匹配的钢性垫块， 隙几何特征，现有成果大多基于岩石内部的裂隙， 并且涂抹凡士林，以减小端部摩擦效应的影响，当 鲜有端部裂隙的相关研究见诸报道，而在矿山、隧 听到清脆的破裂声响或发现载荷骤降时，即停止 道、水电站等岩石工程中，表面缺陷随处可见.本 试验.采用高速摄影仪记录试样表面的破坏过程， 文利用MTS322型试验系统，对含端部双裂隙的大 拍摄帧数设为每秒10000帧，即每隔100s拍摄一 理岩进行单轴压缩试验，分析裂隙长度和倾角对 张照片，可以有效捕捉到试样的裂纹扩展过程spalling also occurs at the surface of the specimen. The specimens with inclined flaws exhibit shear failure or combined shear and tensile failure and the ones with vertical end flaws show axial splitting tensile failure. The variation trend of energy consumption parameters is consistent with that of uniaxial compressive strength. It is found that total strain energy of the specimen is positively correlated with its uniaxial compressive strength. Finally, the difference between mechanical and crack propagation processes of marble specimens with end flaws under dynamic and static loads were compared. KEY WORDS    rock mechanics；marble；flaws at the end surfaces；strength；crack propagation；energy evolution 裂隙岩体力学特性一直是岩石力学研究的热 点问题，国内外众多学者针对裂隙岩体强度特征 和变形规律进行了研究，取得了丰硕的成果[1−17] . Zou 等[1] 对预制单裂隙的石膏试样进行单轴压缩 以及动态冲击试验，并且利用高速摄影仪记录其 裂纹扩展过程，发现拉伸裂纹主导岩石的静态破 坏过程，而剪切裂纹主导岩石的动态破坏过程； Li 等[2] 基于霍普金森压杆（SHPB）研究了预制单 裂隙大理岩的动态力学特性，发现含裂隙试样的 动态抗压强度与裂隙倾角有关，最后均呈 X 型剪 切破坏；李地元等[3] 开展了端部预制双裂隙大理 岩的动力学试验，结果表明动态抗压强度、峰值应变、 动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角的增大 整体先减小后增大，裂纹大多以剪切或拉剪复合 形式从预制裂隙尖端起裂，最终破坏模式以及能 量演化与裂隙倾角有关；Bobet 和 Einstein[4] 利用石 膏对单、双轴压缩下预制双裂隙的贯通机制进行 了试验研究，将贯通模式分为拉伸、剪切、拉剪混 合三种；Yang 等[5−8] 通过含裂隙岩石类材料的单轴 压缩试验以及数值模拟，拓展总结出 8 种基于双 裂隙的相互贯通模式，并探讨了岩桥倾角对于三 裂隙试样破坏模式的影响；Liu 等[9−11] 采用 MTS–793 岩石与混凝土材料试验机分析了循环加载作用下多 裂隙岩体的破坏过程，发现其疲劳损伤过程与加 载速率、振幅等参数有关，而破坏模式均呈典型的 劈裂拉伸破坏，同时采用 DEM code ESyS–Particle 模拟了多裂隙岩体的动态疲劳过程，发现其破坏 模式与裂隙几何特征密切相关；Li 等[12−15] 和 Zhao 等[16−17] 对应力波在节理裂隙处的传播特性进行分 析，建立了应力波衰减的理论模型. 节理裂隙岩体的研究主要围绕载荷类型、加 载方式、试验材料、裂隙几何特征等进行，就前三 种因素而言，已做了相对丰富的研究工作. 针对裂 隙几何特征，现有成果大多基于岩石内部的裂隙， 鲜有端部裂隙的相关研究见诸报道，而在矿山、隧 道、水电站等岩石工程中，表面缺陷随处可见. 本 文利用 MTS322 型试验系统，对含端部双裂隙的大 理岩进行单轴压缩试验，分析裂隙长度和倾角对 其力学特性的影响规律，并借助高速摄影仪实时 记录岩石的裂纹扩展过程，最后探讨了动、静载荷 下裂隙力学响应及裂纹演化的异同. 1    试验概况 1.1    试样制备 试验大理岩采自湖南省耒阳市，其平均密度 为 2800 kg·m−3，纵波波速约为 3586 m·s−1 . 试样形 状为圆柱体，为便于和动态实验结果比较，加工尺 寸为 50 mm×50 mm（直径 D×高 H），另有标准试样 （50 mm×100 mm）作为对照，端面不平行度和不垂 直度均小于 0.02 mm. 试样表面光滑，没有明显缺 陷. 端部裂隙长度为 L，倾角为 α，宽度为 1 mm，如 图 1 所示. 试样共有 3 组：（1）完整试样；（2）含不 同预制裂隙长度的试样，长度 L 分别为 5, 10 和 15 mm（α = 90°）；（3）含不同预制裂隙倾角（裂隙与 端面所夹锐角）的试样，倾角 α 分别为 30°，60°和 90° （L = 15 mm）. α L 图 1    含双裂隙大理岩试样示意图 Fig.1     Sketch  of  marble  specimens  containing  two  flaws  at  the  end surfaces 1.2    试验加载程序 本次试验在中南大学高等研究中心力学实验室 MTS 322 型材料试验机上进行，如图 2 所示，系统 施加的最大轴向力为±500 kN. 试验采用轴向位移 控制加载方式，加载速率为 0.2 mm·min−1，试验过 程中在两端分别添加与试样端部匹配的钢性垫块， 并且涂抹凡士林，以减小端部摩擦效应的影响，当 听到清脆的破裂声响或发现载荷骤降时，即停止 试验. 采用高速摄影仪记录试样表面的破坏过程， 拍摄帧数设为每秒 10000 帧，即每隔 100 μs 拍摄一 张照片，可以有效捕捉到试样的裂纹扩展过程. 韩震宇等： 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 · 1589 ·