1 引言
　　巖石做為一種運用廣泛的工程材料，由于其內(nèi)部裂隙、裂紋等缺陷的存在，其實際強度遠小于其理論強度。為了弄清楚這一簡單現(xiàn)象的背后原因，一些學者著手于單裂紋模型[1]，從不同的角度和方面對裂紋缺陷的擴展機制和破壞行為作了大量的研究工作[1-4]。陳蘊生[5]采用MTS、超聲波監(jiān)測儀及CT設備，運用巖石力學、損傷力學和分形幾何理論對非貫通裂隙介質(zhì)進行了破壞形態(tài)、破壞過程、裂隙強度效應、裂隙變形效應、細觀機理研究等很有意義的研究。殷致武，王玉[6]等人對裂隙與力學參數(shù)的相互影響進行了研究，并建立了巖體強度參數(shù)與其斷裂之間的互推關系式，文[7]用大理巖材料研究了預置裂紋的貫通機制，這是目前國內(nèi)外較少用真實材料進行預置裂紋貫通的研究之一，文[8]運用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了不同角度的預置單裂紋缺陷的花崗巖試樣的裂紋擴展與破壞過程，這是目前比較流行的研究方法。隨著研究方法的日趨成熟，裂隙巖體的模擬和研究也更加深入。
　　由于巖石組成結(jié)構(gòu)的復雜性以及內(nèi)部缺陷的程度不同，造成了試驗結(jié)論的差異性，為了揭示內(nèi)部缺陷對巖石本身力學性能的影響，也為了更接近工程巖體天然的三向應力狀態(tài),本文對不同裂隙傾角的水泥砂漿試件進行了三軸壓縮試驗,分析了其強度和變形特性的發(fā)展規(guī)律,并分別對其進行了擬合。
　　2 試驗總體設計
　　2.1 試驗材料與試樣制備
　　本試驗用水泥砂漿制作含有不同角度的裂隙試樣。試樣制作選用兩種粒徑范圍的河沙，其中0.09-0.15mm細沙含量為50%，0.15-0.30mm細沙含量為50%，水灰比采用水泥∶細沙∶水=1∶2∶0.5(重量比)，水泥采用32.5R級普通硅酸鹽水泥。裂隙制作采用寬度為2cm，厚度為0.2mm的銅片按照如圖1所示的設計位置和角度插入試件，待試樣澆注至初凝時12個小時以后將薄銅片抽出，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28天。設計的裂隙傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°。根據(jù)巖石的常規(guī)力學性能測試要求制作成φ50mm×100mm標準圓柱體試件。
　　2.2 試驗設備
　　試驗采用WDT-1500多功材料試驗機，該儀器是在MTS的基礎上，結(jié)合國情得以改進，由西安理工大學巖土工程研究所與長春朝陽試驗儀器有限公司聯(lián)合研制開發(fā)的一套大型、多功能的剛性材料伺服試驗系統(tǒng)。
　　儀器的功能：試驗機能完成動、靜荷載條件下的單軸與三軸試驗、全應力-應變試驗、直剪試驗、流變試驗、國際標準巖石試件10Hz以下的疲勞破壞以及加載過程中的實時聲波檢測。儀器有應力、變形、位移三種伺服控制方式。本試驗考慮到試驗機的安全性、試驗過程的可控性以及曲線的完整性，故在本次試驗中，軸向加載(軸壓)采用位移控制，徑向加載(圍壓)采用應力控制。
　　試驗機的主要技術(shù)指標：最大軸向試驗力：1500KN; 軸向位移測量范圍：100mm;
　　軸向變形測量范圍：0-10mm;徑向變形測量范圍：0-5mm;
　　三軸室最大圍壓：80MPa; 最大剪切力：1000KN
　　動態(tài)指標：試驗力：1000KN;振幅：0-0.5mm;頻率：0-10Hz
　　2.3 試驗方案
　　對不同裂隙傾角的試樣以同樣的加載速率施加同樣大的圍壓(本文采用0.5MPa/min，8MPa)，然后以0.5mm/min的速度進行軸向壓縮直至試樣破壞為止。
　　3 試驗結(jié)果及分析
　　表1 裂隙試樣三軸壓縮試驗結(jié)果
　　Table 1 Results of crack sample with different angle under triaxial compression test

試件編號	裂隙傾角（°）	圍壓（MPa）	彈性模量 (GPa)	峰值強度（MPa）	峰值應變1（10-2）	峰值應變2（10-2）	泊松比
A1	0	8	10.30	67.35	0.809	0.544	0.23
A2	30	8	10.13	54.40	0.680	0.459	0.26
A3	45	8	12.02	45.00	0.765	0.246	0.29
A4	60	8	13.63	49.93	0.607	0.377	0.31
A5	90	8	13.89	57.89	0.506	0.156	0.34

　　3.1裂隙試樣的變形特性
　　3.1.1裂隙試樣的應力-應變特性
　　三軸壓縮下裂隙試樣的應力與軸向應變曲線，在三軸壓縮應力狀態(tài)下，不同傾角的裂隙試樣的應力-應變關系都經(jīng)歷了裂隙壓密階段—彈性階段—屈服階段—破壞階段，但其變化過程受裂隙角度的影響。在壓密和彈性階段，裂隙傾角對這兩階段的影響較小，受到圍壓和軸壓共同作用，裂隙試樣在軸向應力為8MPa內(nèi)完成了壓密。當α由0°增加為90°時，各試樣對應的屈服應力分別為20、22、30、35、40MPa，可見屈服應力隨裂隙傾角的增加逐漸增加。在軸向壓縮過程中，裂隙角度α越高，裂紋的萌生、擴展受到的抑制越大，導致屈服應力越高，屈服過程越快，試樣的脆性特征越明顯。
　　3.1.2裂隙試樣的環(huán)向應變-軸向應變特點
　　圖3為裂隙試樣的環(huán)向應變-軸向應變曲線。裂隙試樣在軸向壓縮過程中，環(huán)向變形從側(cè)面反映了試樣的屈服、弱化和破壞特征。由曲線可以看，環(huán)向變形經(jīng)歷了彈性變形、屈服和破壞3個階段。在加載初期，由于圍壓的存在，環(huán)向變形很小，反映不出試樣的壓密過程;在屈服和破壞階段，由于內(nèi)部的剪切滑移使巖樣產(chǎn)生明顯塑性變形,而環(huán)向應變比軸向應變更能靈敏地反映材料內(nèi)部的屈服、弱化，且環(huán)向彈性應變遠小于軸向應變的緣故，其塑性變形的增加顯得相對較快，致使環(huán)向應變-軸向應變曲線偏離直線。在彈性階段，不同裂隙角度試樣的環(huán)向應變-軸向應變斜率差異不是很明顯;屈服階段，在相同的軸向應變下，裂隙角度越小的試樣環(huán)向變形越大;在破壞階段，裂隙傾角α= 90°試樣的環(huán)向變形增加顯著，曲線有明顯的拐區(qū)。
　　3.1.3裂隙試樣的應力-體積應變特點
　　在三軸壓縮過程中，試樣都經(jīng)過了相同的體積變化過程，先是體積應變增加，表明試樣中微孔洞和裂隙被壓密、閉合;當體積被壓縮到最小值時候，由于其內(nèi)部材料不斷達到極限承載力而屈服破壞產(chǎn)生塑性，體現(xiàn)在宏觀上即試樣體積開始膨脹，并隨之出現(xiàn)明顯裂紋。在壓密階段和彈性階段，各裂隙試樣的體積應變緩慢增加，體積逐漸減小;裂隙傾角α=0°、30°的試樣進入屈服階段后體積就開始膨脹，而α=45°、60°、90°的試樣，只有在接近破壞時體積才開始膨脹。裂隙角度從0°到90°，各試樣對應的體積開始由壓縮到膨脹轉(zhuǎn)折點處的應力分別24、25、41、44、52MPa。
　　3.2裂隙試樣的力學特性
　　當裂隙傾角由0°到90°時，主動壓縮試樣的強度隨裂隙傾角α增加先降低后增加，45°時峰值強度最小，0°和90°時較高。由此可知，裂隙傾角對巖樣的峰值強度影響非常顯著，這與前人研究結(jié)果一致。
　　當裂隙傾角由由0°到90°時，主動壓縮試樣的彈性模量隨傾角α增加有微弱的增加，相對其基數(shù)而言可以認為幾乎無差異，應該是圍壓減弱了裂隙傾角的效應所致。
　　3.3裂隙試樣的破壞特性
　　3.3.1裂隙試樣的破壞形式
　　試件的破壞形式與裂隙傾角α有關。裂隙傾角α=0°時，沿預制裂隙端部萌生較短的翼裂紋，在預制裂隙外生成了次級裂紋，破壞為張剪破壞;α=30°、45°時，沿預制裂隙兩端部起裂，形成與軸向加載方向成30°左右夾角的剪切破裂面;α=60°時，沿預制裂隙面方向發(fā)生剪切破壞;α=90°時，從預制裂隙上端生成與軸向成15°夾角的V型剪切破壞面，并在預制裂隙底端產(chǎn)生貫通的平行于加載方向的張裂紋，試樣屬張剪混合破壞。
　　3.3.2裂隙試樣的破壞機理分析
　　裂隙傾角α=0°時，雖然試樣在較小的軸向應力就進入屈服階段，但由于裂隙面垂直于主應力方向以及在8MPa圍壓作用下，抑制了裂隙尖端的局部張應力，使預制裂隙端部不容易萌生翼裂紋，導致試樣的強度較高。裂隙傾角90°時，盡管預制裂隙角度的方向平行于軸向加載方向，但8MPa的圍壓水平也強烈的抑制了裂紋的擴展，這種抑制直接導致試樣峰值強度的增加，但在接近峰值強度時，裂紋擴展較快，并直接導致最后張剪破壞。當預制裂隙角度為45°時，預制裂隙的端部最容易產(chǎn)生剪裂紋，導致強度較小。
　　4 結(jié) 論
　　綜上可知，在三軸壓縮下裂隙試樣的變形、強度和破壞有如下特點：軸向變形大于環(huán)向變形;體積先被壓縮后膨脹;裂隙傾角為0°、30°的試樣進入屈服階段后體積就開始膨脹，而裂隙傾角為45°、60°、90°的試樣只有在接近破壞時體積才開始膨脹;屈服應力隨裂隙傾角的增加而增大;裂隙角度越大，試樣的脆性特征越明顯;強度隨裂隙傾角增加先降低后增加，45°時峰值強度最小，0°和90°時較高，彈性模量幾乎不受裂隙傾角的影響;試件的破壞形式與裂隙傾角有關，多為剪切破壞。
　　參考文獻(References)：
　　[1] Griffith A A.The Phenomena of Rupture and Flow in Solids(SeriesA)[M].London：Phil.Trans.Royal Soc.，1921.163，221.
　　[2] Nemat-Nasser S，Obata M M.A microcrack model of dilatancy inbrittle material[J].Journal of applied mechanics，1988，55：24–35.
　　[3] Shen B，Barton N.The disturbed zone around tunnels in jointed rockmasses[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.，1997，34(1)：117–125.
　　[4] 陳衛(wèi)忠，李術(shù)才，朱維申，等.巖石裂紋擴展的試驗與數(shù)值分析研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22(1)：18–23.(Chen Weizhong，Li Shucai，Zhu Weishen，et al.Experimental and numerical research oncrack propagation in rock under compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(1)：18–23.(in Chinese))
　　[5] 陳蘊生單軸壓縮條件下非貫通裂隙介質(zhì)損傷演化特征的試驗研究：[碩士學位論文] [D].西安：西安理工大學，2002
　　[6] 殷致武，王玉. 巖體中裂隙與力學參數(shù)的相互影響研究[j].三峽大學學報(自然科學版)，2007，29(6)：525–527.
　　[7] Chen G，Kemeny J M，Harpalani S.Fracture propagation and coalescence in marble plates with pre-cut notches under compression[J].Fracture and Jointed Rock Mass，1992，14：435–439.
　　[8] 林鵬 黃凱珠 王仁坤 周維垣. 不同角度單裂紋缺陷試樣的裂紋擴展與破壞行為[j], 巖石力學與工程學報，2005.11(24增2): 5652-5657