張 波，楊學(xué)英，李術(shù)才，郭 帥，唐鵬越，李海燕，楊 磊，孫懷鳳，王書(shū)剛

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 3.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院 工程管理系，山東 濟(jì)南 250014)

含兩組疊置X型裂隙類巖石材料單軸拉伸破壞特征

張 波1,2，楊學(xué)英3，李術(shù)才1,2，郭 帥1，唐鵬越2，李海燕2，楊 磊2，孫懷鳳2，王書(shū)剛2

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 3.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院 工程管理系，山東 濟(jì)南 250014)

含裂隙巖石/類巖石試件在單軸壓縮下的破壞特征已有較多研究，但對(duì)含X型裂隙試件單軸拉伸下的破壞特征尚無(wú)研究結(jié)論。對(duì)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，并與對(duì)應(yīng)試件單軸壓縮情況的已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，研究了含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸下的巖橋貫通行為及強(qiáng)度特征。研究結(jié)果表明：含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉、壓作用下的破壞模式及巖橋貫通模式表現(xiàn)不同，在單軸拉伸作用下含兩組疊置X型裂隙類巖石試件巖橋處不會(huì)出現(xiàn)貫通現(xiàn)象;含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件的次裂隙位置影響試件單軸拉伸強(qiáng)度，在主裂隙位置固定情況下，次裂隙角度與最大拉應(yīng)力方向垂直時(shí)試件強(qiáng)度最低，次裂隙角度與最大拉應(yīng)力方向相同時(shí)試件強(qiáng)度最高。

類巖石材料;X型裂隙;單軸拉伸;破壞特征

目前的研究已表明，對(duì)于含裂隙巖體在拉、壓荷載下的破壞行為，都是從裂隙尖端的啟裂開(kāi)始，隨著荷載加大，裂隙擴(kuò)展直至試件破壞[1]。

多裂隙巖體在單軸及多軸受壓下的裂隙擴(kuò)展及巖橋貫通行為有眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。WONG[2]，朱維申[3]用類巖石材料，李銀平[4]采用含預(yù)制裂紋大理巖試件，徐濤[5]，Zhiyu LI[6]用數(shù)值手段，研究了雁行裂隙在單軸壓縮下的巖橋貫通行為，得到了巖橋貫通的4種模式：剪切模式、混合模式、張拉模式和無(wú)貫通模式。趙永紅[7]對(duì)含兩條雁行預(yù)制裂隙的大理巖平板試件進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，WONG[8]用類巖石材料研究了含3條平行裂隙試件巖橋貫通規(guī)律，蒲成志等[9]進(jìn)行了單軸壓縮下含多裂隙類巖石材料的強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)值分析，研究認(rèn)為裂隙位置，傾角及裂隙之間的間距都會(huì)影響試件斷裂破壞強(qiáng)度。

抗拉性能作為巖石材料的重要力學(xué)特征，眾多學(xué)者通過(guò)巴西圓盤(pán)或直接拉伸試驗(yàn)對(duì)巖體抗拉性能進(jìn)行了研究。李果[10]，王啟智[11]，趙毅鑫[12]用巴西圓盤(pán)劈裂實(shí)驗(yàn)有效研究了完整及含單一裂隙脆性巖石的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度KIc。楊圣奇[13]利用顆粒流(PFC)建立了巴西圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了斷續(xù)雙裂隙的裂紋擴(kuò)展情況，研究認(rèn)為巖橋長(zhǎng)度影響翼形裂紋的擴(kuò)展程度。何滿潮[14]采用鋼絲墊條、直接加壓、弧形模具的加載方式，對(duì)砂巖、泥巖進(jìn)行了大量的巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)，研究表明采用不同的加載方式，測(cè)定的巖石抗拉強(qiáng)度差別很大，主要原因是因?yàn)榧虞d板和試件間存在摩擦力等因素影響。張少華[15]，尤明慶[16]，劉建鋒[17]分別采用直接拉伸和巴西劈裂法研究了巖石的拉伸力學(xué)特性，研究認(rèn)為直接拉伸試驗(yàn)得到的結(jié)果更加真實(shí)反映巖石的抗拉強(qiáng)度特性。張緒濤[18]研制了巖石軸向直接拉伸試驗(yàn)裝置并對(duì)完整試件及含單一裂隙試件進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)。李地元[19]，張澤天[20]對(duì)巖樣進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，得到了巖石的拉伸力學(xué)性能。

從目前的研究文獻(xiàn)可知，對(duì)于含裂隙巖體力學(xué)性能的研究，大部分都是以含單一裂隙或雁行裂隙試件進(jìn)行研究，對(duì)于巖體工程中大量存在的X型裂隙，僅有部分研究人員對(duì)其在壓縮下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。劉東燕等[21]用實(shí)驗(yàn)研究了雙向壓縮下的含X型裂隙類巖體材料的巖橋貫通及強(qiáng)度特征，認(rèn)為含X型裂隙巖體強(qiáng)度高于含單一裂隙巖體。筆者等[22]對(duì)含X型裂隙巖體的力學(xué)性能及破壞機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，研究結(jié)果認(rèn)為含X型裂隙巖體壓縮強(qiáng)度高于含單一裂隙巖體是有條件的，主次裂隙夾角的改變影響含X型裂隙巖體單軸壓縮強(qiáng)度，當(dāng)次裂隙的位置對(duì)剪切破壞裂隙的擴(kuò)展有抑制作用時(shí)，含交叉裂隙巖體壓縮強(qiáng)度高于含單一裂隙巖體。

巖體等脆性材料在拉伸作用下產(chǎn)生破壞的突然性要遠(yuǎn)超過(guò)受壓情況，更顯研究巖體受拉性能的重要性。但是到目前為止，對(duì)于含X型裂隙的巖體，在受拉荷載作用下的破壞特征，還沒(méi)有任何文獻(xiàn)報(bào)道。本文用類巖石材料制作含X型裂隙試塊，進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，研究含兩組疊置X型裂隙類巖石材料在單軸拉伸荷載下的力學(xué)行為，得到拉伸情況下的巖橋貫通特征及強(qiáng)度特征，并與已有的單軸受壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)巖體工程理論和實(shí)踐有一定幫助作用。

1 含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸試驗(yàn)

本研究用類巖石材料模擬含裂隙巖石，進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。類巖石材料用水泥砂漿制作，水泥∶砂子∶水=1∶2∶0.5(質(zhì)量比)，其中水泥為425號(hào)水泥，砂子粒徑小于1.25 mm。水泥砂漿初凝后(3 h)在試塊上插刀片(刀片厚度0.5 mm)，刀片在70 mm厚度方向穿透試塊，形成穿透性裂隙，刀片在試塊中保持30 min后拔出，形成預(yù)置裂隙。

試塊示意圖如圖1所示，為進(jìn)行對(duì)比，本文在研究含兩組疊置X型裂隙試件(圖1(b))單軸受拉的同時(shí)，也制作了含兩條單一裂隙試件(圖1(a))。本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)方體試件，試件尺寸：長(zhǎng)×寬×高=70 mm×70 mm×140 mm。圖1中①，②，③及④分別表示4條預(yù)置裂隙，含兩條單一裂隙試件僅含裂隙①和③。在X型裂隙中裂隙①和③被定義為主裂隙，長(zhǎng)度為30 mm，裂隙②和④被定義為次裂隙，長(zhǎng)度為20 mm。兩組裂隙中心垂直間距為30 mm，裂隙中心位于樣品縱向軸線上。α是主裂隙與水平方向的夾角，α在本研究中被固定在45°，β是主裂隙與次裂隙的夾角，在本研究中β以15°的增量從0°到165°變化，具體工況見(jiàn)表1。每個(gè)工況制作2個(gè)試塊，試塊制作后于模具中靜置12 h后取出，在相對(duì)濕度大于50%，溫度為(20±1) ℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，取2個(gè)試件強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為試件強(qiáng)度，當(dāng)2個(gè)試件強(qiáng)度的平均值與任一試件強(qiáng)度之差超過(guò)平均值的5%時(shí)，該組試件作廢。

圖1 含兩條平行裂隙及兩組疊置X型裂隙試件示意Fig.1 Schematic diagram of specimens with two parallel flaws and two overlapped X-type flaws

編號(hào)L13/mmL24/mmα/(°)β/(°)C130C2302015C3302030C4302045C5302060C630204575C7302090C83020105C93020120C103020135C113020150C123020165

注：無(wú)次裂隙的工況C1表示含兩條平行單一裂隙試件;L13為圖1中主裂隙①和③的長(zhǎng)度;L24為圖1中次裂隙②和④的長(zhǎng)度。

加載設(shè)備采用伺服拉壓試驗(yàn)機(jī)(設(shè)備型號(hào)為時(shí)代試金WDW-100E試驗(yàn)機(jī))，如圖2所示，該設(shè)備搭載自主研發(fā)的軸向?qū)χ醒b置[18]，可以解決單軸拉伸中的偏心問(wèn)題。加載采用位移加載，加載速率0.1 mm/min。試件粘接劑采用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠，該結(jié)構(gòu)膠可用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)混凝土基體與鋼板材的粘接，常溫下結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度超過(guò)25 MPa。

圖2 加載設(shè)備Fig.2 Testing equipment

2 含兩組疊置X型裂隙試件單軸拉伸破壞模式及巖橋變形特征

2.1 含兩組疊置X型裂隙單軸拉伸破壞模式及巖橋貫通特征

含兩組疊置X型裂隙試件單軸拉伸破壞模式見(jiàn)圖3(表示工況(1)～(12)的破壞模式)。

由圖3可以看出，裂隙擴(kuò)展方向與最大拉應(yīng)力方向垂直，所有測(cè)試試件單軸拉伸情況下未出現(xiàn)巖橋貫通情況，所有破壞均在一組裂隙處發(fā)生，未與第二組裂隙產(chǎn)生干涉。隨著次裂隙位置的變化，裂隙破壞斷面由“_/ˉ”字形向“一”字形變化。裂隙啟裂與擴(kuò)展以主裂隙裂尖為主，占試件比例數(shù)的8/12，裂隙從主、次裂隙處啟裂占試件總數(shù)的4/12，沒(méi)有全部從次裂隙裂尖啟裂的試件。裂隙從主、次裂隙處啟裂分2種情況：① 次裂隙位置接近最大主應(yīng)力的垂直方向，如圖3(j)所示，工況C10;② 主、次裂隙與最大主應(yīng)力方向的夾角比較接近，如圖3(e)，(f)和(g)所示，工況C5，C6和C7。

由實(shí)驗(yàn)觀察可以看出，單軸受拉狀態(tài)下，裂隙啟裂與試件拉斷破壞的時(shí)間間隔非常短，裂隙擴(kuò)展以非穩(wěn)定擴(kuò)展完成。雖然結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，但由于本文所用的類巖石材料是脆性材料，在單軸受拉的條件下，裂隙擴(kuò)展是非穩(wěn)定擴(kuò)展，上組或下組裂隙中只要有一組產(chǎn)生了啟裂，啟裂后裂隙以高速擴(kuò)展導(dǎo)致試件破壞，不會(huì)給另一組裂隙擴(kuò)展的機(jī)會(huì)和時(shí)間，因此導(dǎo)致破壞裂隙只在一組裂隙中出現(xiàn)。但在含兩組裂隙試件單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，由于裂隙擴(kuò)展有明顯的穩(wěn)定擴(kuò)展和非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，因此上下兩組裂隙都會(huì)產(chǎn)生啟裂及擴(kuò)展，這是含兩組裂隙試件單軸拉伸試驗(yàn)與壓縮的不同。

2.2 單軸拉、壓情況下巖橋貫通模式對(duì)比

由已有對(duì)單軸受壓情況下的研究成果可知[3]，含雁行裂隙試件巖橋貫通分4種類型：剪切型，張拉型，混合型(剪切與張拉混合)及無(wú)貫通4種，前3種貫通形式如圖4(a)，(b)及(c)所示。筆者對(duì)含兩組交叉裂隙類巖石材料試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試件巖橋貫通模式如圖4(d)，(e)及(f)所示，根據(jù)巖橋貫通的裂隙形式可判斷貫通裂隙屬剪切型(圖4(d))及張拉型巖橋貫通模式(圖4(e)和(f))。

圖3 各工況破壞模式Fig.3 Failure mode of every testing condition

圖4 單軸壓縮情況下巖橋貫通模式Fig.4 Coalescence modes of specimens under uniaxial compression

由本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸受拉情況下巖橋無(wú)貫通(圖3)。

在單軸受壓及拉伸情況下巖橋貫通形式有此不同，原因如下：?jiǎn)屋S受壓情況下巖橋處裂尖會(huì)產(chǎn)生翼裂紋(張拉裂隙)與二次裂隙(剪切裂隙)，翼裂紋以啟裂角啟裂后，向最大壓應(yīng)力方向(豎直方向)擴(kuò)展，隨著荷載增大，巖橋處上下兩裂尖產(chǎn)生的沿接近豎向的裂隙擴(kuò)展至裂隙連通，從而實(shí)現(xiàn)巖橋的張拉型(圖4(c)，(e)及(f))及混合型貫通(圖(b));當(dāng)兩條雁行裂隙位置接近一條直線時(shí)，翼裂紋的擴(kuò)展不能形成貫通，二次裂隙的擴(kuò)展產(chǎn)生剪切裂隙控制的巖橋貫通(圖4(a)及(d))。而在單軸受拉情況下，裂尖處的裂隙擴(kuò)展方向與最大拉應(yīng)力方向垂直，沿接近水平方向擴(kuò)展，不會(huì)產(chǎn)生向下(或向上)的裂隙擴(kuò)展，也不會(huì)產(chǎn)生剪切裂隙，所以含兩組疊置X型裂隙試件在單軸受拉情況下不會(huì)產(chǎn)生巖橋貫通行為。

3 含X型裂隙巖石試件單軸拉伸強(qiáng)度及單軸拉壓強(qiáng)度對(duì)比分析

3.1 含兩組疊置X型裂隙類巖石試件單軸拉伸峰值強(qiáng)度

本研究各測(cè)試工況下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5所示，峰值強(qiáng)度，破壞應(yīng)變及拉彈模列于表2。各工況下主次裂隙夾角β與強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及拉伸彈性模量關(guān)系如圖6～8所示。

從圖5及表2可以看出，含單一裂隙試件單軸拉伸強(qiáng)度高于含交叉裂隙試件，這與文獻(xiàn)[21-22]對(duì)含交叉裂隙試件單軸壓縮時(shí)的規(guī)律有所不同，在單軸壓縮情況下，含交叉裂隙試件在較多工況下單軸壓縮強(qiáng)度高于含單一裂隙試件。在單軸拉伸情況下，含交叉裂隙試件強(qiáng)度低于含單一裂隙試件。

圖5 各工況應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relations of testing conditions

工況強(qiáng)度/MPa破壞應(yīng)變拉伸彈性模量/MPaC10961000401302515C20857000515222333C30771000494171621C40900000629158412C50763000386452727C60745000517312687C70807000431302939C80563000392280389C90492000380301433C100457000354171697C110602000515169119C120754000557207875

圖6 各工況β角-強(qiáng)度曲線Fig.6 β-strength curve of all testing conditions

圖7 各工況β角-破壞應(yīng)變曲線Fig.7 β-failure strain curve of all testing conditions

圖8 各工況β角-拉伸彈性模量曲線Fig.8 β-tensile elastic modulus curve of all testing conditions

由圖6～8可以看出，主次裂隙夾角β對(duì)強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及拉伸彈性模量都有影響，但是影響規(guī)律不同。當(dāng)β角在135°時(shí)(工況C10)，即次裂隙與最大拉應(yīng)力方向垂直時(shí)，試件強(qiáng)度最低(圖6)，破壞應(yīng)變也最小(圖7)。出現(xiàn)這種影響的原因是當(dāng)次裂隙與最大拉應(yīng)力方向垂直時(shí)，次裂隙裂尖的受拉裂隙與其他工況相比最易啟裂并擴(kuò)展，因此此時(shí)強(qiáng)度最低，此時(shí)的破壞應(yīng)變也最低。當(dāng)β角在45°時(shí)(工況C4)，即次裂隙與最大拉應(yīng)力方向相同時(shí)，強(qiáng)度最高(圖6)，破壞應(yīng)變也最高(圖7)。其原因是當(dāng)次裂隙與最大拉應(yīng)力方向相同時(shí)，次裂隙裂尖最不易啟裂及擴(kuò)展，因此此時(shí)強(qiáng)度最高。由于類巖石材料的脆性特征，類巖石材料在受拉時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈接近鉛錘降落，且曲線在峰值應(yīng)力前段有很強(qiáng)的線性關(guān)系(圖5)。β角在45°時(shí)試件具有最大的破壞應(yīng)變，而β角在135°時(shí)具有最小的峰值應(yīng)力，由于彈性模量是線性段應(yīng)力與應(yīng)變的比值，因此這兩個(gè)工況出現(xiàn)了較低的拉伸彈性模量(圖8)，其中β角在45°時(shí)拉伸彈性模量最低。但是由于拉伸彈性模量同時(shí)取決于應(yīng)力與應(yīng)變這兩個(gè)量的值，因此作者認(rèn)為β角對(duì)拉伸彈性模量的最大/最小值的影響有一定的不確定性。

3.2 單軸壓縮及拉伸下的含X型裂隙巖體強(qiáng)度對(duì)比

本文實(shí)驗(yàn)工況下，受拉情況下含X型裂隙試件抗拉強(qiáng)度低于含單一裂隙試件，這一點(diǎn)與受壓時(shí)含交叉裂隙試件強(qiáng)度規(guī)律不同，受壓情況下，含X型裂隙試件在多種工況下出現(xiàn)了高于含單一裂隙試件的強(qiáng)度[21-22]。

單軸壓縮及拉伸下的含X型裂隙巖體力學(xué)特征有此不同，原因如下：圖9是含單一裂隙及疊置X型裂隙試件在單軸壓縮及單軸拉伸情況下破壞模式，由圖9(a)，(b)及(c)及文獻(xiàn)[22]的分析可以看出，受壓情況下，次裂隙的出現(xiàn)在部分情況下，能使穩(wěn)定擴(kuò)展的翼裂紋擴(kuò)展幅度增大，同時(shí)剪切裂隙的擴(kuò)展得到一定程度的抑制，而含裂隙試件單軸受壓破壞控制路徑是剪切裂隙，因而次裂隙的出現(xiàn)部分情況下能對(duì)單軸壓縮試件起到提高強(qiáng)度的作用;由圖3及圖9(d)，(e)可以看出，單軸受拉情況下的含X型裂隙試件，其破壞過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)剪切裂隙，次裂隙的出現(xiàn)不能起到抑制剪切裂隙擴(kuò)展的作用，因而在單軸受拉情況下未出現(xiàn)含交叉裂隙試件強(qiáng)度高于含單一裂隙試件強(qiáng)度的現(xiàn)象。

圖9 含單一裂隙及疊置X型裂隙試件在單軸壓縮及單軸拉伸情況下破壞模式Fig.9 Failure modes of specimens with a single or X-type flaw/flaws under uniaxial compression and uniaxial tension (a),(b)及(c)是文獻(xiàn)[22]中單軸壓縮破壞模式;(d)及(e)是本文單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下破壞模式及巖橋貫通模式與壓縮作用下表現(xiàn)不同。

(2)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下巖橋處不會(huì)出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。

(3)含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件在單軸拉伸作用下次裂隙位置影響試件強(qiáng)度。

(4)在主裂隙位置固定情況下，含兩組疊置X型裂隙類巖石材料試件次裂隙角度與最大拉應(yīng)力方向垂直時(shí)強(qiáng)度最低;次裂隙角度與最大拉應(yīng)力方向相同時(shí)強(qiáng)度最高。

[1] KANG Hongpu.Support technologies for deep and complex roadways in underground coal mines:A review[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(3):261-277.

[2] WONG R H C,CHAU K T.Crack coalescence in a rock-like material containing two cracks[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,1998,35(2):147-164.

[3] 朱維申，陳衛(wèi)忠，申晉.雁形裂紋擴(kuò)展的模型試驗(yàn)及斷裂力學(xué)機(jī)制研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),1998,19(4):355-360. ZHU Weishen,CHEN Weizhong,SHEN Jin.Simulation experiment and fracture mechanism study on propagation of echelon pattern cracks[J].Acta Mechanica Solida Sinica,1998,19(4):355-360.

[4] 李銀平，王元漢，陳龍珠，等.含預(yù)制裂紋大理巖的壓剪試驗(yàn)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(1):120-124. LI Yinping,WANG Yuanhan,CHEN Longzhu,et al.Experimental research on pre-existing cracks in marble under compression[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004,26(1):120-124.

[5] 徐濤，唐春安，王善勇，等.裂紋連續(xù)度對(duì)非均質(zhì)材料中雁行裂紋擴(kuò)展的影響[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,25(2):167-170. XU Tao,TANG Chun’an,WANG Shanyong,et al.Influence of crack continuity on propagation of en echelon cracks in heterogeneous materials[J].Journal of Northeastern University (Natural Science),2004,25(2):167-170.

[6] LI Zhiyu,WANG Mingyu,ZHAO Jianhui,et al.Analysis on intersections between fractures by parallel computation[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(3):356-363.

[7] 趙永紅，梁海華.雁行割縫大理巖平板次級(jí)裂紋演化的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,34(1):80-87. ZHAO Yonghong,LIANG Haihua.Development of subcracks around compound fractures in rock specimens[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,1998,34(1):80-87.

[8] WONG R H C,CHAU K T,TANG C A,et al.Analysis of crack coalescence in rock-like materials containing three flaws-Part I:experimental approach[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2001,38(1):909-924.

[9] 蒲成志，曹平，趙延林，等.單軸壓縮下多裂隙類巖石材料強(qiáng)度試驗(yàn)與數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2010,31(11):3661-3666. PU Chengzhi，CAO Ping，ZHAO Yanlin，et al.Numerical analysis and strength experiment of rock-like materials with multi-fissures under uniaxial compression[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(11):3661-3666.

[10] 李果，艾婷，于斌，等.不同巖性巴西劈裂試驗(yàn)的聲發(fā)射特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(4):870-881. LI Guo,AI Ting,YU Bin,et al.Acoustic emission characteristics of different lithologies under Brazilian splitting[J].Journal of China Coal Society,2015,40(4):870-881.

[11] 王啟智，吳禮舟.用平臺(tái)巴西圓盤(pán)試樣確定脆性巖石的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度-第二部分：試驗(yàn)結(jié)果[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(2):199-204. WANG Qizhi,WU Lizhou.Determination of elastic modulus,tensile strength and fracture toughness of britile rocks by using flattened Brazilian disk specimen-part II:experimental results[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(2):199-204.

[12] 趙毅鑫，肖漢，黃亞瓊.霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014,39(2):286-291. ZHAO Yixin,XIAO Han,HUANG Yaqiong.Dynamic split tensile test of Brazilian disc of coal with split Hopkinson pressure bar loading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):286-291.

[13] 楊圣奇，黃彥華，劉相如.斷續(xù)雙裂隙巖石抗拉強(qiáng)度與裂紋擴(kuò)展顆粒流分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(2):220-226. YANG Shenqi,HUANG Yanhua,LIU Xiangru.Particle flow analysis on tensile strength and crack coalescence behavior of brittle rock containing two pre-existing fissures[J].Journal of China University of Mining & Technology,2014,43(2):220-226.

[14] 何滿潮，胡江春，熊偉，等.巖石抗拉強(qiáng)度特性的劈裂試驗(yàn)分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2005,25(4):12-16. HE Manchao,HU Jiangchun,XIONG Wei,et al.Splitting test and analysis of rock tensile strength[J].Mining R&D,2005,25(4):12-16.

[15] 張少華，繆協(xié)興，趙海云.試驗(yàn)方法對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28(3):243-246. ZHANG Shaohua,MIAO Xiexing,ZHAO Haiyun.Influence of test methods on measured results of rock tensile strength[J].Journal of China University of Mining & Technology,1999,28(3):243-246.

[16] 尤明慶,周少統(tǒng),蘇承東.巖石試樣圍壓下直接拉伸試驗(yàn)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(4):255-261. YOU Mingqing,ZHOU Shaotong,SU Chengdong.Direct tensile experiment of rock specimens under confining pressure[J].Journal of Henan Polytechnic University,2006,25(4):255-261.

[17] 劉建鋒，徐進(jìn)，楊春和，等.鹽巖拉伸破壞力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(4):580-586. LIU Jianfeng,XU Jin,YANG Chunhe,et al.Mechanical characteristics of tensile failure of salt rock[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(4):580-586.

[18] 張緒濤，張強(qiáng)勇，袁圣渤,等.巖石軸向直接拉伸試驗(yàn)裝置的研制及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(12):2517-2523. ZHANG Xutao，ZHANG Qiangyong，YUAN Shengbo，et al.Development of test device for direct axial tension on rock and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(12):2517-2523.

[19] 李地元，李夕兵，LIC Charlie.2種巖石直接拉壓作用下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(3):624-632. LI Diyuan,LI Xibing,LIC Charlie.Experimental studies of mechanical properties of two rocks under direct compression and tension[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(3):624-632.

[20] 張澤天，劉建鋒，王璐，等.煤的直接拉伸力學(xué)特性及聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(6):960-965. ZHANG Zetian,LIU Jianfeng,WANG Lu,et al.Mechanical properties and acoustic emission characteristics of coal under direct tensile loading conditions[J].Journal of China Coal Society,2013,38(6):960-965.

[21] 劉東燕,朱可善,范景偉.雙向應(yīng)力作用下X型斷續(xù)節(jié)理巖體的強(qiáng)度特性研究[J].重慶建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1991,13(4):40-46. LIU Dongyan,ZHU Keshan,FAN Jingwei.Strength properties of rock mass with bidirectional intermittent cross joints[J].Journal of Chongqing Institute of Architecture and Engineering,1991,13(4):40-46.

[22] 張波,李術(shù)才,楊學(xué)英,等.含交叉裂隙節(jié)理巖體單軸壓縮破壞機(jī)制研究[J].巖土力學(xué)，2014,35(7):1863-1870. ZHANG Bo,LI Shucai,YANG Xueying,et al.Uniaxial compression failure mechanism of jointed rock mass with cross-cracks[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(7):1863-1870.

Uniaxialtensilefailurepropertiesofrock-likespecimenswithtwooverlappedX-typeflaws

ZHANG Bo1,2，YANG Xueying3，LI Shucai1,2,GUO Shuai1,TANG Pengyue2,LI Haiyan2,YANG Lei2, SUN Huaifeng2,WANG Shugang2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 2.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 3.DepartmentofEngineeringManagement,ShandongUrbanConstructionVocationalCollege,Jinan250014,China)

Although the failure properties of rock/rock-like specimens with flaws under uniaxial compression have been studied in many cases,those properties of specimens with X-type flaws under uniaxial tension have not been researched yet.In this research the crack coalescence and strength properties were studied with rock-like material specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The testing results were compared with uniaxial compression results of specimens containing corresponding flaws.The study results show that the failure and coalescence modes of specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests are different from those with specimens under uniaxial compression tests.There is no crack coalescence at the rock bridge areas of specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The position of the secondary flaw influences the strength of specimens containing two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The specimen with a second flaw vertical to the maximum tension stress has the lowest tension strength among specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.The tension strength of the specimen with a second flaw parallel to the maximum tension stress is the highest one among the specimens with two overlapped X-type flaws under uniaxial tension tests.

rock-like material;X-type flaws;uniaxial tension;failure property

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1676

TD313

:A

:0253-9993(2017)08-1987-07

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51379114,41672281);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51509146)

張 波(1977—)，男，山東濟(jì)南人，副教授，博士。E-mail:zhangbo1977@sdu.edu.cn

張波，楊學(xué)英，李術(shù)才，等.含兩組疊置X型裂隙類巖石材料單軸拉伸破壞特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):1987-1993.

ZHANG Bo，YANG Xueying，LI Shucai，et al.Uniaxial tensile failure properties of rock-like specimens with two overlapped X-type flaws[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1987-1993.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1676