节理岩体裂隙扩展研究进展

摘要： 论述了节理岩体二维及三维裂隙的研究现状及既有成果，为节理岩体破坏机理的研究提供了很好的研究基础。

关键词： 节理岩体；二维裂隙；三维裂隙

Abstract: This paper discusses the jointed rock mass, two-dimensional and three-dimensional fracture research present situation and the existing achievements, for jointed rock mass failure mechanism study provides good research foundation.

Keywords: jointed rock mass; two-dimensional fracture; fracture

中图分类号： P641 文献标识码： A 文章编号：

一、节理岩体二维裂隙扩展研究进展

脆性材料的受压破坏模式取决于荷载的类型、材料的结构和其内部损伤的程度。裂隙的起裂、扩展直至最后的贯通是脆性岩石材料破坏的主要表现形式。裂隙缺陷研究最早起源于20世纪20年代。1913年，英格里斯(Inglis)最早计算出了椭圆通孔平板的拉伸应力分布，证明了应力集中现象，但他立足于传统强度理论范畴，并没有出现较大的突破。而Griffith却成了最早获得重要突破的，他在1920年对玻璃和陶瓷等构件强度进行相关理论分析和试验研究，通过分析受压裂纹扩展与应力大小之间的关系，提出了因裂隙扩展导致的材料破坏条件，并且从能量的观点推导出了物体强度与材料性质及裂隙长度之间的关系表达式[1]。Griffith之后，1949年，奥罗文对Griffith理论进行了修正工作，使得这一理论得到进一步的发展。1957年，欧文率先提出应力强度因子概念，使脆性断裂理论取得重大突破。

到20世纪60年代，Brace and Bombolacks、Hoek、Cook、McClintock、Salamon等学者开始研究受压情况下薄板内预制裂隙的初始扩展以及次生裂纹的扩展状况，得到了裂纹扩展向最大主应力方向稳定扩展的结论。1966年，Brace等提出二维裂隙滑移开裂模型，模型认为滑动裂隙端部生成的弯折型张开性裂纹是在压剪型荷载作用下新裂纹萌生的主要机制，并根据该模型对岩石破坏前的扩容现象进行了微观解释。与此同时，该模型只出，受压状态下裂隙的进一步扩展需要附加荷载连续增长并以维持整个扩展过程，次生裂纹的萌生侧是以突跃方式出现。

20世纪70年代起，二维平面条件下的试验研究开始兴起，这些试验大部分用含预制倾斜裂隙（pre-existing inclining flaws）的模拟材料来观察裂纹的萌生、演化以及试件破坏过程。Nolen-Hoeksema[2]等人通过试验观测到受压大理岩斜裂隙尖端的扩展破坏模式，观察出裂隙的扩展具有非对称性，并得出穿透裂隙在试件表面的发育能够很好的代表内部情况的结论。Wong T.F.研究了Weterly花岗岩的微观破坏机制，Lajtai假定岩石的节理为张拉断裂，提出了低围压的应力场中大多数节理的形成是由于Griffith裂纹的拉应力集中的结果。Hudson和Priest等对裂隙岩体进行了几何统计特征的分析研究。

20世纪80年代，室内试验技术和理论水平均有较大提高，在进行更加深入研究裂隙扩展的试验同时，逐步开始将试验结果与理论分析相结合。这时代表性的研究有：Nemat-Nasser和Ashby，Sammis和Obata等采用线弹性断裂力学理论研究单个、多个和多组雁形排列的预制张开型裂隙的起裂、扩展和贯通机制，并研究了这些多裂隙与自由面的相互作用引起的应力集中现象，建立了其相互作用的理论模型，给出了相互作用因子，进行了强度分析。他们在定量分析和试验验证的基础上，提出了一个二维模型，通过该模型可解释缺陷诱发裂隙扩展导致岩石劈裂现象，并进一步指出：三轴压力下裂隙的相互作用使得扩展失去稳定，导致裂隙局部化形成，并控制材料的强度及最终的失效面。Kachanov等在考虑岩石非线弹性基础上建立了适合滑动摩擦特性的预制裂隙的扩展模型。

90年代至今，随着试验手段和理论水平的进一步提高，关于裂隙扩展的试验和理论研究进入一个繁荣的时代：如Reyes和Eistein等成了单轴压缩下一些含两个预制张开型裂隙的石膏试样裂隙贯通过程的测试，发现裂隙体的贯通机制被平行的初始预制裂隙缺陷的几何分布所控制。Shen等对含单个和两个预制张开型和闭合型裂隙缺陷开展了研究，建立了新的断裂准则，并应用修正的Griffith准则解释了部分试验结果。Bobet等用石膏试样研究了单轴作用下不重叠和重叠断续两张开裂隙缺陷的扩展、贯通机制。朱维申、李术才和陈卫忠等[3][4]通过相似材料模型试验研究了雁形裂隙双向加载问题，并从理论上分析了断续节理岩体的蠕变损伤断裂机理，提出了节理裂隙蠕变演化的等效模型和考虑裂隙蠕变扩展与损伤耦合的应变本构方程。

针对前面一些研究的不足，Wong等在这些研究的基础上做了进一步的研究：包括用含不同摩擦系数及不同程度微裂隙的真实岩石及类砂岩模拟材料（硫酸钡、沙、石膏和水的混合物）及不同角度分布的预制裂隙试样的贯通机制，对岩桥强度和贯通失效机制作了一系列的单轴和直剪的数值和理论方面的研究。任伟中、白世伟等(1999，2003)通过直剪试验条件下的模型试验，研究了不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包含闭合节理和岩桥的剪切面的变形和强度特性及其相应的变化规律，探讨了节理、岩桥变形和破坏机理，并建立起表征岩桥初裂强度和不同破坏模式下的贯通强度计算公式。

二、节理岩体三维裂隙扩展研究进展

工程中常遇到节理裂隙岩体这一类复杂工程介质，并且岩体内部裂隙的产状、走向及分布情况常常决定着整个岩体变形及强度性质。岩体的破坏和失稳最终是这些内部不连续裂隙面的张开、闭合和扩展进而形成连通破裂面所引起的。

在以往的研究中，常常将这些裂隙岩体简化成平面问题(二维裂隙岩体)来加以解决，即将岩体中的裂隙看成是贯通整个岩体的。因此与二维裂纹相比，三维裂纹的理论研究是比较困难的，由于数学模型上的困难及计算的复杂性, 三维裂纹理论研究远比不上二维裂纹研究。三维裂纹问题通常都是通过试验与近似处理方法相结合的方法来研究。1963年，Erdogan和薛昌明(Sih)等[5]根据具有中心斜裂纹承受均匀拉伸的树脂玻璃板的试验结果，提出了最大周向应力断裂准则，即裂纹沿着最大周向应力方向开裂并当周向应力达到临界值时，裂纹会失态扩展。

1969年，Sommer 等进行了在玻璃中预置I : III复合型裂纹的试验研究；1970年，Knauss等开展了纯III型裂纹的试验研究；滕春凯等(1987)、尹祥础等(1988)在玻璃等试件中预制表面裂纹, 研究了三维裂纹的破裂和扩展；Adams和20世纪90年代以来，由于试验技术的进步，三维裂纹研究得到了较快的发展。

1994年开始，Dyskin等人便在低温树脂(Colombia resin 和 CR-39等材料)试样上预制人工三维裂纹，进行了单、双轴压缩试验。试验结果表明双轴压缩荷载加载下裂纹的扩展与单轴压缩下是不同的，单轴压缩下在裂纹边缘产生的包裹型翼裂纹是限制翼裂纹继续扩展的原因，而在双轴压缩下翼裂纹可以充分发展从而引起试样劈裂破坏。2002年，简浩等采用实时CT扫描加载技术研究了类节理岩体（含水与不含水）单轴压缩损伤演化问题，以CT平均数为参量定量的研究了三维裂纹扩展及演化规律问题。2004年以来，香港理工大学Wong等进行了含三维表面裂纹PMMA试样裂纹扩展试验，并通过改变预制裂纹深度和倾角，研究了裂纹起裂模式和扩展路径的不同，试验发现预制裂纹尖端不仅有翼裂纹出现，而且产生了花瓣状裂纹(属于Ⅲ型裂纹)；裂纹扩展长度与裂纹深度、倾角和试样材料性质有关；Wong.首次观察到张开型表面裂纹的扩展方式是以反翼裂纹（在裂纹尖端处，裂纹初始扩展方向正好与翼裂纹扩展方向是相反的）模式扩展为主的。

三、节论

本文对节理岩体二维及三维裂隙的研究现状及既有成果进行了详细阐述及总结，为节理岩体破坏机理的进一步研究提供了良好的研究基础。

参考文献

Griffith A.A. The phenomena of ruptures and flow in solids[J]. Phil.Trans. Royal Soc.London, 1921, Ser. A:221-263.

Nolen-Hoeksema R.C. and Gordon R.B.Optical detection of crack patterns in the opening-mode fracture of marble [J].Int. J. Rock mech. Mn. Sci. Geomech. Abdtr.1987,24(4): 135-144.

朱维申，陈卫忠，申晋，雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究[J]，固体力学学报，1998，19(4):355-360.

李术才，李树忱，朱维申，简浩等，裂隙水对节理岩体裂隙扩展影响的CT 实时扫描实验研究[J]，岩石力学与工程学报，2004，23(21)：3584-3590.

Erdogan F. and Sih G.C. On the crack extention in plates under loading and transverse shear trans[J]. A.S.M.E. , J. Basic Engr. ,1963,85D: 519~527.