压应力作用下裂隙岩体断裂模式与强度特性讲解

压应力作用下裂隙岩体的断裂模式与强度特性讲解作者：第三组前言岩体破坏类型：岩石力学实验结果表明，在压应力作用下，岩石破坏常常表现出劈裂拉伸和沿一定角度的剪切破坏。在低围压和单轴压应力作用下，岩体的劈裂破坏沿着最大主应力方向进行，而在较高围压作用下，岩石则沿着与最大主应力作用方向成一定角度的平面出现一组或者两组剪切破坏面。岩石破坏原因：研究者表明这是岩石内微裂纹的扩展、聚合和相互作用的结果。前人在研究岩石微观断裂的基础上，针对岩体中存在的许多宏观裂隙。在建立在不同围压作用下岩体裂隙的断裂模式之下，分析和探讨了裂隙的断裂发展轨迹，并研究了裂隙岩体的拉伸破坏和破坏特性。1.岩体拉伸断裂模型先行条件：①二维平面应变，各向同性弹性均质岩体且只包含一个滑动裂纹②为了研究的方便起见，采用了一种渐进解翼型裂纹扩展模型，即翼型裂纹扩展方向与最大轴向压应力方向平行图1滑移裂纹翼型裂纹扩展模型根据先行条件②得出翼型裂纹尖端的I型强度因子为：情景一：当围压σ2较小或者为零，轴向压应力σ1不断增大时，滑移裂纹则在滑移裂纹尖端出现翼形张裂纹，其扩展方向是逐渐与最大轴向压应力方向平行。在多裂纹模型中，翼型裂纹尖端的应力强度因子为：

情景二：当考虑裂纹之间的相互作用、聚合和贯穿时，可用图2所示的轴向排列的多裂纹翼型裂纹模型，当翼型李文扩展后，裂纹之间的相互作用可以很容易使裂纹之间相互聚合而贯穿，形成岩体的劈裂拉伸破坏。图2轴向排列多裂纹的翼型裂纹相互作用模型根据上述两种情况分析当（1）中的翼型裂纹尖端应力强度影子K1达到岩石的I型断裂韧度Kic时，那么岩石就处于临界的应力状态或进行扩展。但也注意到随着扩展长度L的增加，K1是呈下降趋势，即它们的扩展是稳定扩展，而且围压σ2也是翼型裂纹张拉扩展的一种稳定因素。如果考虑裂纹之间的相互作用，从式（2）中可以看出翼型裂纹的张拉扩展经过一定的稳定扩展后，裂纹回见进一步贯穿，讲产生抢劫的相互作用，那么经过一临界扩展长度Lc后，翼型裂纹尖端的应力强度因子K1将随着裂纹扩展而不断增加。因此，裂纹处于不稳定扩展阶段，岩体最终页将由裂纹之间的失稳贯穿而破坏，那么可以定义对于翼型裂纹临界扩展长度Lc的岩体应力状态为临界破坏状态，岩体应力值为岩体破坏强度。通过上述分析，可以通过下列关系确定翼型裂纹临界扩展长度Lc和岩体破坏强度σic

由文【2】中队某地区闪斜长片麻岩进行的室内试验测得：MPA,

cm,µ=0.5。那么由式（1）可以分别得到α，λ，L/Lo对岩体破坏强度的影响，具体结果详见图3。拉伸断裂模型结论分析从计算结果可以看出，在低围压或单轴压应力作用下，滑移裂纹的张拉哦坏是稳定扩展的，即翼型裂纹扩展长度L/Lo的增加，最大轴向应力σ1是不断增加的（如图3a所示），此时λ=0）。而随着围压增大，如图3（b）所示，λ=0.5，处于45°角度的滑移裂纹尖端还能出现一段拉张裂纹，但轴向压应力σ1与λ情况相比，其数值增长很大，而处于75°角度的滑移裂纹在压应力下则不可能出现拉张破坏，裂纹扩展只能在拉应力作用下扩展，这说明围压队裂纹张拉扩展起着非常敏感的抑制作用。随着围压进一步增大，如图3（e）所示。λ=0.4，两种角度情况下的翼型张裂纹扩展都不能发生，裂隙岩体的破坏形式将发生变化，即脆性张拉破坏想剪切破坏转变，这与高围压下大多数岩石的性态由脆性向延性转化的临界点σ1=3.4σ2的研究结果比较相似。2.岩体的剪切断裂模型成因及模型：在较高围压下裂隙岩体常常变现出沿裂隙面的剪切断裂破坏。这种剪切断裂机制可以解释为首先在剪切裂纹尖端出现微张拉裂纹，由于围压较高，裂纹将稳定扩展，两剪切裂纹之间的岩桥上出现一系列微张裂纹，将大大削弱岩体的剪切断裂韧度K2c,当他们进一步发展，聚合，贯穿后将导致共线剪切剪纹的失稳破坏。剪切裂纹之间的岩桥上微张裂纹的发展及对剪切裂纹断裂破坏的影响可以通过对断裂韧度K2c的影响来综合反映。剪切断裂过程分为稳定扩展和失稳扩展两个阶段在稳定扩展阶段，剪切裂纹尖端应力强度因子满足：在失稳扩展阶段，剪切裂纹尖端应力强度因子则满足：对于图4所示的共线裂纹，其II型应力强度因子为

而剪切破坏情况下，岩体的破坏可以定义为岩体剪切裂纹的失稳扩展临界值，即通过对裂隙岩体在压应力情况下的拉伸断裂与剪切断裂分别进行的分析研究和计算，可以得出如下结论：（1）在单抽或者低围压情况下，岩体的宏观裂纹将在其尖端产生翼型张拉裂纹，最大轴向压应力随裂纹扩展而不断增加，翼型张拉裂纹变现出一种稳定扩展状态。（2）在单轴或者低围压情况下，裂隙岩体破坏强度值可通过多裂纹排列的相互作用断裂模型来研究，本文给出了确定翼型裂纹的临界扩展长度和与之对应的岩体破坏强度值得方法和公式。（3）围压对翼型张拉裂纹的产生或扩展起着非常敏感的抑制作用。随着围压的增加，裂隙岩体的张拉断裂脆性破坏形