考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究

工程科学学报，第39卷，第9期：1295-1304,2017年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.9:1295-1304,September 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001:htp:/journals..usth.edu.cn 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 李夕兵，罗琳四，黎崇金 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:csulinluol991@csu.edu.cm 摘要为了研究硬岩与软岩交界面方向对其破坏形式的影响，对含岩石-水泥砂浆（代替软岩）交界面的组合试样进行了 多组加载角度的巴西劈裂试验，获得了不同交界面方向的组合试样的“抗拉”强度，并利用颗粒流程序P℉C2”研究了交界面的 破坏机理.计算得到的“抗拉”强度随交界面与加载方向夹角的增大而增大.当交界面平行于加载方向时，沿交界面发生劈 裂破坏，计算得到的“抗拉”强度可认为是交界面的抗拉强度：当交界面与加载方向不平行时，发生更为复杂的拉一剪复合破 坏.此外，为了进一步分析交界面的抗拉强度对破坏形式的影响，采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度两种方法增加交界 面的抗拉强度，并进行了一系列试验.试验得到了含交界面的巴西劈裂试验的典型破坏模式分布图，对更好地理解硬岩与软 岩交界面的破坏形式具有指导意义， 关键词岩石力学；岩石交界面；巴西劈裂；断裂形式 分类号TU458 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting LI Xi-bing,LUO Lin,LI Chong-jin School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:esulinluol991@csu.edu.cn ABSTRACT A series of Brazilian split tests on rock-cement interface considering the effect of interface orientations were conducted to investigate the influence of hard rock-soft rock interface direction on failure behavior.The tensile strength for different interface orientations was obtained and failure mechanism of the interface was analyzed by the particle flow code PFC2.The measured tensile strength increases as the interface-loading angle increases.The measured tensile strength can be considered to be equivalent to that of the interface if the interface orientation is parallel to the loading direction,because tensile failures occur along the interface.Mixed- mode failures occur if the interface is not parallel to the loading line.In addition,another series of Brazilian tests were conducted to investigate the influence of the interface tensile strength on failures by increasing the cement dosage and roughening the rock surface. Based on the results,a diagram of the failure mode distribution marked with the typical failure patterns from the Brazilian test results for the rock-cement interface was developed.These findings provide a better understanding of the failure modes of the hard rock-soft rock interface. KEY WORDS rock mechanics;rock interface;Brazilian split;fracture modes 在开采矿石的过程中，人为的开挖扰动除了造成 失稳破坏得到了众多学者的关注.Yan等)利用 矿岩本身的破坏之外，还会对被开挖矿层所处位置的 SHPB装置开展了动态巴西劈裂试验，研究了凝灰岩 顶底板造成一定影响，进而造成矿石与围岩的整体失 与玄武岩交界面的动态拉伸特性.左建平等2-)采用 稳破坏.因此，近年来将矿岩作为组合体研究其整体 TS815对煤岩组合体进行了单轴和三轴压缩试验， 收稿日期：2016-11-17 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016Y℉C0600706):中南大学中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2017s166)

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期:1295鄄鄄1304,2017 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 9: 1295鄄鄄1304, September 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 09. 001; http: / / journals. ustb. edu. cn 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 李夕兵, 罗 琳苣 , 黎崇金 中南大学资源与安全工程学院, 长沙 410083 苣通信作者, E鄄mail: csulinluo1991@ csu. edu. cn 摘 要 为了研究硬岩与软岩交界面方向对其破坏形式的影响,对含岩石鄄鄄水泥砂浆(代替软岩)交界面的组合试样进行了 多组加载角度的巴西劈裂试验,获得了不同交界面方向的组合试样的“抗拉冶强度,并利用颗粒流程序 PFC 2D研究了交界面的 破坏机理. 计算得到的“抗拉冶强度随交界面与加载方向夹角的增大而增大. 当交界面平行于加载方向时,沿交界面发生劈 裂破坏,计算得到的“抗拉冶强度可认为是交界面的抗拉强度;当交界面与加载方向不平行时,发生更为复杂的拉―剪复合破 坏. 此外,为了进一步分析交界面的抗拉强度对破坏形式的影响,采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度两种方法增加交界 面的抗拉强度,并进行了一系列试验. 试验得到了含交界面的巴西劈裂试验的典型破坏模式分布图,对更好地理解硬岩与软 岩交界面的破坏形式具有指导意义. 关键词 岩石力学; 岩石交界面; 巴西劈裂; 断裂形式 分类号 TU458 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting LI Xi鄄bing, LUO Lin 苣 , LI Chong鄄jin School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: csulinluo1991@ csu. edu. cn ABSTRACT A series of Brazilian split tests on rock鄄鄄cement interface considering the effect of interface orientations were conducted to investigate the influence of hard rock鄄鄄 soft rock interface direction on failure behavior. The tensile strength for different interface orientations was obtained and failure mechanism of the interface was analyzed by the particle flow code PFC 2D . The measured tensile strength increases as the interface鄄鄄loading angle increases. The measured tensile strength can be considered to be equivalent to that of the interface if the interface orientation is parallel to the loading direction, because tensile failures occur along the interface. Mixed鄄 mode failures occur if the interface is not parallel to the loading line. In addition, another series of Brazilian tests were conducted to investigate the influence of the interface tensile strength on failures by increasing the cement dosage and roughening the rock surface. Based on the results, a diagram of the failure mode distribution marked with the typical failure patterns from the Brazilian test results for the rock鄄鄄 cement interface was developed. These findings provide a better understanding of the failure modes of the hard rock鄄鄄soft rock interface. KEY WORDS rock mechanics; rock interface; Brazilian split; fracture modes 收稿日期: 2016鄄鄄11鄄鄄17 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600706);中南大学中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2017zzts166) 在开采矿石的过程中,人为的开挖扰动除了造成 矿岩本身的破坏之外,还会对被开挖矿层所处位置的 顶底板造成一定影响,进而造成矿石与围岩的整体失 稳破坏. 因此,近年来将矿岩作为组合体研究其整体 失稳 破 坏 得 到 了 众 多 学 者 的 关 注. Yan 等[1] 利 用 SHPB 装置开展了动态巴西劈裂试验,研究了凝灰岩 与玄武岩交界面的动态拉伸特性. 左建平等[2鄄鄄3] 采用 MTS 815 对煤岩组合体进行了单轴和三轴压缩试验

·1296· 工程科学学报，第39卷，第9期 研究了煤岩组合体的破坏特性和力学行为，并利用声 性.刘恺德等[]和刘晓辉等[]研究了煤岩的不同层 发射监测系统对煤岩组合体的单轴试验过程进行了声 理方向对抗拉强度的影响. 发射监测.众所周知，作为岩体中的薄弱面，岩石的交 岩体中岩石交界面的方向效应使岩体呈现了一定 界面不仅会降低岩体的力学强度，水也易从交界面渗 的各向异性，然而针对岩石交界面的方向与岩体破坏 入，导致岩体的破坏往往发生在岩石交界面上.因此， 形式之间关系的研究仍比较少.进行岩石交界面方向 研究岩石交界面的破坏特性对工程的安全性分析与评 效应的研究是当前一个崭新的研究思路.本文利用巴 价具有重要作用. 西劈裂试验研究了岩石交界面的方向对岩体破坏形式 与直接拉伸试验相比较，巴西劈裂试验是一个简 的影响，观察、总结了巴西盘的抗拉强度和破坏形态， 单、间接测试岩石或者类岩石材料拉伸特性的方法. 并利用颗粒流程序PFC2D(partical flow code in2 dimen- 自从Hondrost)于1959年提出径向加载下巴西盘的应 sios)研究了不同交界面-加载方向夹角影响下的破 力分布的理论公式后，巴西劈裂方法便不断发展. 坏机制 2012年，Li和Wong)对巴西劈裂试验的应用进行了 1试验条件 回顾，总结了巴西劈裂试验的发展历程.发展的初期 主要集中在巴西试验的有效性[]以及与其他测量拉伸 1.1试样准备 强度方法的比较[).自从巴西劈裂试验被国际岩石力 考虑到岩石交界面较难加工，本文仅考虑硬岩 学学会推荐为间接拉伸测试方法后[]，巴西试验得到 与软岩交界面的方向效应，并且采用水泥砂浆代替 了进一步发展.为了改善巴西试验加载处的应力集中 软岩，硬岩采用花岗岩.首先，在花岗岩岩块上用 现象，王启智等[9-]提出了平台巴西试验的方法.宫 钻具钻取岩芯，采用切割机切割打磨芯样，制成花 凤强和李夕兵[)基于微积分原理，结合理论解，推导 岗岩圆盘，如图1(a)所示.花岗岩圆盘表面光滑， 出了岩石拉伸模量和总位移变形量之间的关系式. 上、下表面的平行度控制在0.5mm以内，表面的平 Zhou等[]也将巴西劈裂试验方法扩展至动态加载条 面度控制在0.1mm以内.然后，采用水刀切割花 件下，得到了花岗岩的动态拉伸特性.许多学者也利 岗岩岩样，将花岗岩圆盘一分为二，如图1(b)所 用巴西劈裂试验对岩石各向异性的特性开展了研究. 示.最后，进行水泥砂浆部分的制作，制作过程在 其中，Istvan等)对横观各向同性岩石的抗拉强度做 实验室内完成，如图2.先将花岗岩试样放入钢模 了研究.Tavallali和Vervoort研究了层状砂岩的层 的半边，再将水泥砂浆倒入钢模的另外半边，振捣 理方向对破坏的影响。谭鑫等56)也通过巴西劈裂试 拌匀，24h后拆模放入恒温恒湿箱养护.28d后取 验和离散单元法模拟研究了考虑层理构造的非均质片 出试样进行巴西劈裂试验，见图1（℃），画线方向为 麻岩的破坏特性.刘运思等]考虑了板岩的各向异 加载方向. (a) 图1试样准备.(a)花岗岩：(b)水刀切割后的半花岗岩：(c)组合试样 Fig.I Preparation of specimens:(a)granite;(b)half-granite by water-jetting;(c)composed specimen b y 图2制作交界面.(a)模具；(b)放入花岗岩：(c)倒入水泥砂浆 Fig.2 Preparation of interfaces:(a)mould;(b)mould with granite;(c)mould with granite and cement mortar

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 研究了煤岩组合体的破坏特性和力学行为,并利用声 发射监测系统对煤岩组合体的单轴试验过程进行了声 发射监测. 众所周知,作为岩体中的薄弱面,岩石的交 界面不仅会降低岩体的力学强度,水也易从交界面渗 入,导致岩体的破坏往往发生在岩石交界面上. 因此, 研究岩石交界面的破坏特性对工程的安全性分析与评 价具有重要作用. 与直接拉伸试验相比较,巴西劈裂试验是一个简 单、间接测试岩石或者类岩石材料拉伸特性的方法. 自从 Hondros [4]于 1959 年提出径向加载下巴西盘的应 力分布的理论公式后,巴西劈裂方法便不断发展. 2012 年,Li 和 Wong [5] 对巴西劈裂试验的应用进行了 回顾,总结了巴西劈裂试验的发展历程. 发展的初期 主要集中在巴西试验的有效性[6]以及与其他测量拉伸 强度方法的比较[7] . 自从巴西劈裂试验被国际岩石力 学学会推荐为间接拉伸测试方法后[8] ,巴西试验得到 了进一步发展. 为了改善巴西试验加载处的应力集中 现象,王启智等[9鄄鄄10] 提出了平台巴西试验的方法. 宫 凤强和李夕兵[11] 基于微积分原理,结合理论解,推导 出了岩石拉伸模量和总位移变形量之间的关系式. Zhou 等[12]也将巴西劈裂试验方法扩展至动态加载条 件下,得到了花岗岩的动态拉伸特性. 许多学者也利 用巴西劈裂试验对岩石各向异性的特性开展了研究. 其中,Istvan 等[13]对横观各向同性岩石的抗拉强度做 了研究. Tavallali 和 Vervoort [14] 研究了层状砂岩的层 理方向对破坏的影响. 谭鑫等[15鄄鄄16]也通过巴西劈裂试 验和离散单元法模拟研究了考虑层理构造的非均质片 麻岩的破坏特性. 刘运思等[17] 考虑了板岩的各向异 性. 刘恺德等[18]和刘晓辉等[19] 研究了煤岩的不同层 理方向对抗拉强度的影响. 岩体中岩石交界面的方向效应使岩体呈现了一定 的各向异性,然而针对岩石交界面的方向与岩体破坏 形式之间关系的研究仍比较少. 进行岩石交界面方向 效应的研究是当前一个崭新的研究思路. 本文利用巴 西劈裂试验研究了岩石交界面的方向对岩体破坏形式 的影响,观察、总结了巴西盘的抗拉强度和破坏形态, 并利用颗粒流程序 PFC 2D (partical flow code in 2 dimen鄄 sions)研究了不同交界面鄄鄄 加载方向夹角影响下的破 坏机制. 1 试验条件 1郾 1 试样准备 考虑到岩石交界面较难加工,本文仅考虑硬岩 与软岩交界面的方向效应,并且采用水泥砂浆代替 软岩,硬岩采用花岗岩. 首先,在花岗岩岩块上用 钻具钻取岩芯,采用切割机切割打磨芯样,制成花 岗岩圆盘,如图 1 ( a) 所示. 花岗岩圆盘表面光滑, 上、下表面的平行度控制在 0郾 5 mm 以内,表面的平 面度控制在 0郾 1 mm 以内. 然后,采用水刀切割花 岗岩岩样,将花岗岩圆盘 一 分 为 二,如 图 1 ( b) 所 示. 最后,进行水泥砂浆部分的制作,制作过程在 实验室内完成,如图 2. 先将花岗岩试样放入钢模 的半边,再将水泥砂浆倒入钢模的另外半边,振捣 拌匀,24 h 后拆模放入恒温恒湿箱养护. 28 d 后取 出试样进行巴西劈裂试验,见图 1 ( c) ,画线方向为 加载方向. 图 1 试样准备. (a)花岗岩;(b)水刀切割后的半花岗岩;(c)组合试样 Fig. 1 Preparation of specimens: (a) granite; (b) half鄄granite by water鄄jetting; (c) composed specimen 图 2 制作交界面. (a)模具; (b)放入花岗岩; (c)倒入水泥砂浆 Fig. 2 Preparation of interfaces: (a) mould; (b) mould with granite; (c) mould with granite and cement mortar ·1296·

李夕兵等：考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 ·1297· 1.2试验方法及设备 表1组合试样劈裂试验计算“抗拉”强度 采用中南大学力学测试中心的MTS Insight岩石 Table 1 Calculated"tensile strength"of composed specimen dise from 力学测试系统进行巴西劈裂试验.MTS Insight岩石力 Brazilian split tests 学测试系统采用全伺服控制，最大加载力可达30kN, 8 “强度”/MPa 平均值“强 变异系 标准差 试验采用位移控制，位移速度控制为0.5mm·min. (°) 试样1试样2试样3 度"/MPa 数/% 试验过程中通过改变岩石一水泥砂浆交界面与加载方 0 0.9480.6820.734 0.788±0.200.115 15 向的夹角日来研究不同交界面方向对破坏机制的影 0.9590.5720.5170.683±0.300.241 35 响，加载示意图如图3,0分别取0°，15°，30°，45°，60°， 300.5480.9700.776 0.765±0.400.211 28 75°和90°.根据加载变化，共设7组试验，每组测试3 45 0.6530.7340.797 0.728±0.100.072 10 个试样.圆盘试样在弧形加载机具下加载至发生 60 2.6892.6582.785 2.711±0.100.066 2 破坏. 75 2.0882.8252.933 2.615±0.500.46018 90 2.4172.5602.9172.631±0.300.258 10 3.3 3.0 。试样强度 2.7 。一平均值 2.4 2.1 1.5 图3不同交界面方向的圆盘加载示意图 0.9 Fig.3 Sketch of dise with different interface directions under load- 06 ings 0.3 0 15 3045607590 2试验结果 交界面加载角，(9 图4不同方向下的圆盘试件抗拉强度 2.1“抗拉”强度 Fig.4 Tensile strength of disc samples with different orientations 组合试样的“抗拉”强度采用Hondros[)建立的解 析方法进行计算，“抗拉”强度表示为： 试验“抗拉强度”具有显著地影响.也就是说，交界面 2P 的方向效应使得岩体整体的强度呈现一定的各向异 0,-Df (1) 性.0从0°增大到90°的过程中，当15°≤0≤45时“抗 式中：σ，为抗拉强度，1为试样长度（厚度），D为直径， 拉”强度较稳定，约为0.5~1.0MPa.“抗拉”强度在角 P为试样破坏载荷. 度0=60时发生突变，从0.728增加到2.711MPa.最 花岗岩的抗拉强度为7.78MPa,水泥砂浆的抗拉 大拉伸强度为2.8~2.9MPa,出现在交界面方向与加 强度为1.327MPa.不同交界面方向下的平均“拉伸强 载方向呈75°和90°的情况下.其原因是：如图5所示， 度”见表1.当0=0时，试样沿交界面发生拉伸破坏， 0从0°变化到90°过程中，圆盘的破坏由纯拉伸破坏逐 此时的强度可认为是交界面的抗拉强度，为0.788 渐变化为复杂的拉一剪复合破坏. MPa.“拉伸强度”随0的变化趋势见图4.这里的“拉 2.2破坏形式 伸强度”指的是试样失去承载能力时的圆盘试样中心 当交界面与加载方向夹角0=0°（图5(a))时，断 的最大拉伸力.图5显示了典型的破坏形式.从图5 裂形式和经典巴西试验的情况类似.竖向裂纹通过试 中破坏的试样可以看出，并不是所有的破坏都通过试 样中心沿加载方向发展，即沿交界面发生拉伸断裂. 样中心，这与基于平面应力的弹性解析解中所假定的 与经典试验的中心起裂不同，裂纹最初在上部加载端 圆盘中心起裂不符.也就是说，表1中所计算的“抗拉 附近（图5(a)中的点1）萌发，沿着图中箭头方向往另 强度”并不是真的抗拉强度.因此，此处拉伸强度加上 一加载端（图5(a)中的点2）发展，最终贯穿整个试 引号. 样.这可能是因为试样由岩石和水泥砂浆两部分制 从图4中可以看出，使用解析方法计算的不同方 成，不是经典试验中假设的均质的试样.峰值应力大 向下的交界面的巴西劈裂试验“抗拉强度”具有一定 约为0.788MPa,拉伸裂纹沿着交界面发展（拉伸应力 的离散性，并且也可以看出，夹角0的变化对巴西劈裂 达到交界面的拉伸强度).因此，此组加载情况下计算

李夕兵等: 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 1郾 2 试验方法及设备 采用中南大学力学测试中心的 MTS Insight 岩石 力学测试系统进行巴西劈裂试验. MTS Insight 岩石力 学测试系统采用全伺服控制,最大加载力可达 30 kN, 试验采用位移控制,位移速度控制为 0郾 5 mm·min - 1 . 试验过程中通过改变岩石―水泥砂浆交界面与加载方 向的夹角 兹 来研究不同交界面方向对破坏机制的影 响,加载示意图如图 3,兹 分别取 0毅,15毅,30毅,45毅,60毅, 75毅和 90毅. 根据加载变化,共设 7 组试验,每组测试 3 个试样. 圆盘试样在弧形加载机具下加载至发生 破坏. 图 3 不同交界面方向的圆盘加载示意图 Fig. 3 Sketch of disc with different interface directions under load鄄 ings 2 试验结果 2郾 1 “抗拉冶强度 组合试样的“抗拉冶强度采用 Hondros [4] 建立的解 析方法进行计算,“抗拉冶强度表示为: 滓t = 2P 仔Dt . (1) 式中:滓t 为抗拉强度,t 为试样长度(厚度),D 为直径, P 为试样破坏载荷. 花岗岩的抗拉强度为 7郾 78 MPa,水泥砂浆的抗拉 强度为 1郾 327 MPa. 不同交界面方向下的平均“拉伸强 度冶见表 1. 当 兹 = 0毅时,试样沿交界面发生拉伸破坏, 此时的强度可认为是交界面的抗拉强度,为 0郾 788 MPa. “拉伸强度冶随 兹 的变化趋势见图 4. 这里的“拉 伸强度冶指的是试样失去承载能力时的圆盘试样中心 的最大拉伸力. 图 5 显示了典型的破坏形式. 从图 5 中破坏的试样可以看出,并不是所有的破坏都通过试 样中心,这与基于平面应力的弹性解析解中所假定的 圆盘中心起裂不符. 也就是说,表 1 中所计算的“抗拉 强度冶并不是真的抗拉强度. 因此,此处拉伸强度加上 引号. 从图 4 中可以看出,使用解析方法计算的不同方 向下的交界面的巴西劈裂试验“抗拉强度冶 具有一定 的离散性,并且也可以看出,夹角 兹 的变化对巴西劈裂 表 1 组合试样劈裂试验计算“抗拉冶强度 Table 1 Calculated “tensile strength冶 of composed specimen disc from Brazilian split tests 兹 / (毅) “强度冶 / MPa 试样 1 试样 2 试样 3 平均值“强 度冶 / MPa 标准差 变异系 数/ % 0 0郾 948 0郾 682 0郾 734 0郾 788 依 0郾 20 0郾 115 15 15 0郾 959 0郾 572 0郾 517 0郾 683 依 0郾 30 0郾 241 35 30 0郾 548 0郾 970 0郾 776 0郾 765 依 0郾 40 0郾 211 28 45 0郾 653 0郾 734 0郾 797 0郾 728 依 0郾 10 0郾 072 10 60 2郾 689 2郾 658 2郾 785 2郾 711 依 0郾 10 0郾 066 2 75 2郾 088 2郾 825 2郾 933 2郾 615 依 0郾 50 0郾 460 18 90 2郾 417 2郾 560 2郾 917 2郾 631 依 0郾 30 0郾 258 10 图 4 不同方向下的圆盘试件抗拉强度 Fig. 4 Tensile strength of disc samples with different orientations 试验“抗拉强度冶具有显著地影响. 也就是说,交界面 的方向效应使得岩体整体的强度呈现一定的各向异 性. 兹 从 0毅增大到 90毅的过程中,当 15毅臆兹臆45毅时“抗 拉冶强度较稳定,约为0郾 5 ~ 1郾 0 MPa. “抗拉冶强度在角 度 兹 = 60毅时发生突变,从 0郾 728 增加到 2郾 711 MPa. 最 大拉伸强度为 2郾 8 ~ 2郾 9 MPa,出现在交界面方向与加 载方向呈 75毅和 90毅的情况下. 其原因是:如图 5 所示, 兹 从 0毅变化到 90毅过程中,圆盘的破坏由纯拉伸破坏逐 渐变化为复杂的拉―剪复合破坏. 2郾 2 破坏形式 当交界面与加载方向夹角 兹 = 0毅(图 5( a))时,断 裂形式和经典巴西试验的情况类似. 竖向裂纹通过试 样中心沿加载方向发展,即沿交界面发生拉伸断裂. 与经典试验的中心起裂不同,裂纹最初在上部加载端 附近(图 5(a)中的点 1)萌发,沿着图中箭头方向往另 一加载端(图 5 ( a) 中的点 2) 发展,最终贯穿整个试 样. 这可能是因为试样由岩石和水泥砂浆两部分制 成,不是经典试验中假设的均质的试样. 峰值应力大 约为 0郾 788 MPa,拉伸裂纹沿着交界面发展(拉伸应力 达到交界面的拉伸强度). 因此,此组加载情况下计算 ·1297·

·1298· 工程科学学报，第39卷，第9期 图5不同方向下的圆盘破坏试件.(a)0=0°：(b)0=15°；(c)9=30°：(d)6=45°：(e)0=60°：()9=75°：(g)0=90° Fig.5 Fracture patterns of discs with different orientations:(a)8=0°；(b)8=15°；(c)8=30°；(d)0=45°；(e)8=60°；(f)8=75°；(g)8= 90° 的“抗拉强度”可以认为是岩石一水泥砂浆的交界面 拉伸破坏.当0=75°和90°（图5(）、(g))时，除了水 的抗拉强度. 泥砂浆中发生拉伸破坏，岩石内也发生拉伸破坏.此 图5中(b)、(c)、(d)(0=15°，30°，45)显示了典 时，拉伸裂纹萌发在试样中心附近的岩石和水泥砂 型的沿单一交界面的断裂.当加载盘持续对圆盘施加 浆内. 荷载时，光滑交界面首先产生滑移现象，继而产生微小 3数值模拟 裂纹，并扩展成宏观裂纹，最终表现为一条沿交界面方 向的主裂纹贯穿整个试样.虽然主裂纹穿过试样中 3.1数值模型的建立 心，但是并没有在试样中心产生沿加载方向的拉伸裂 为进一步探究岩石一水泥砂浆交界面的破坏机 纹.与岩石和水泥砂浆的拉伸强度相比，交界面强度 理，采用颗粒流程序P℉C2对巴西劈裂试验进行了模 较低，在达到岩石、水泥砂浆的拉伸强度之前，首先在 拟.P℉C2D既可以直接模拟圆形颗粒的运动与相互作 交界面上发生破坏.因此，此组测得的峰值应力与岩 用问题，也可以通过两个或者多个颗粒与其直接相 石、水泥砂浆的抗拉强度无关，而与交界面强度存在一 邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结 定的数值关系. 构问题[2].在P℉C2D中，颗粒之间的黏结有两种基本 当0=60°，75°，90时，随着0的增大，沿着交界面 模型：接触黏结模型和平行黏结模型，平行黏结刚度 更适用于模拟硬岩类材料[].因此，本文采用平行 产生破坏越来越难，不再只是沿着单一交界面发生破 黏结模型. 坏，而呈现为一个更为复杂的破坏模式.如图5(e), 如图6所示，对中50mm×100mm的花岗岩和水泥 首先在试样中心附近的水泥砂浆内起裂，沿加载方向 a 出现可观的拉伸裂纹1，几乎同时交界面上发生滑移， 继而交界面两端都扩张成裂纹2并迅速传播.沿交界 面右端的裂纹2与加载方向的拉伸裂纹1首先贯通， 另一端的裂纹2与加载方向的拉伸裂纹1接近贯通的 时候，裂纹2不再继续沿交界面转而向加载方向的拉 伸裂纹1发展，形成裂纹3，最终形成如图5(e)所示的 一些弯曲的宏观裂纹.交界面上的裂纹不再继续沿交 界面而是转向加载方向发展，可能是因为岩桥的作用， 两裂纹之间更容易贯通.这种复杂的破坏形式既沿着 交界面发生，也发生在水泥砂浆或岩石中.当0=60° 图6花岗岩(a)和水泥砂浆(b)的单轴压缩试验 时，除了交界面的破坏，还有水泥砂浆内沿加载方向的 Fig.6 Uniaxial compression test of granite (a)and cement mortar (b)

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 图 5 不同方向下的圆盘破坏试件 郾 (a)兹 = 0毅; (b)兹 = 15毅; (c)兹 = 30毅; (d)兹 = 45毅;(e)兹 = 60毅;(f)兹 = 75毅;(g)兹 = 90毅 Fig. 5 Fracture patterns of discs with different orientations: (a)兹 = 0毅; (b)兹 = 15毅; ( c) 兹 = 30毅; (d) 兹 = 45毅;( e) 兹 = 60毅;( f) 兹 = 75毅;( g) 兹 = 90毅 的“抗拉强度冶 可以认为是岩石―水泥砂浆的交界面 的抗拉强度. 图 5 中(b)、(c)、(d)(兹 = 15毅,30毅,45毅)显示了典 型的沿单一交界面的断裂. 当加载盘持续对圆盘施加 荷载时,光滑交界面首先产生滑移现象,继而产生微小 裂纹,并扩展成宏观裂纹,最终表现为一条沿交界面方 向的主裂纹贯穿整个试样. 虽然主裂纹穿过试样中 心,但是并没有在试样中心产生沿加载方向的拉伸裂 纹. 与岩石和水泥砂浆的拉伸强度相比,交界面强度 较低,在达到岩石、水泥砂浆的拉伸强度之前,首先在 交界面上发生破坏. 因此,此组测得的峰值应力与岩 石、水泥砂浆的抗拉强度无关,而与交界面强度存在一 定的数值关系. 当 兹 = 60毅,75毅,90毅时,随着 兹 的增大,沿着交界面 产生破坏越来越难,不再只是沿着单一交界面发生破 坏,而呈现为一个更为复杂的破坏模式. 如图 5( e), 首先在试样中心附近的水泥砂浆内起裂,沿加载方向 出现可观的拉伸裂纹 1,几乎同时交界面上发生滑移, 继而交界面两端都扩张成裂纹 2 并迅速传播. 沿交界 面右端的裂纹 2 与加载方向的拉伸裂纹 1 首先贯通, 另一端的裂纹 2 与加载方向的拉伸裂纹 1 接近贯通的 时候,裂纹 2 不再继续沿交界面转而向加载方向的拉 伸裂纹 1 发展,形成裂纹 3,最终形成如图 5(e)所示的 一些弯曲的宏观裂纹. 交界面上的裂纹不再继续沿交 界面而是转向加载方向发展,可能是因为岩桥的作用, 两裂纹之间更容易贯通. 这种复杂的破坏形式既沿着 交界面发生,也发生在水泥砂浆或岩石中. 当 兹 = 60毅 时,除了交界面的破坏,还有水泥砂浆内沿加载方向的 拉伸破坏. 当 兹 = 75毅和 90毅(图 5( f)、( g))时,除了水 泥砂浆中发生拉伸破坏,岩石内也发生拉伸破坏. 此 时,拉伸裂纹萌发在试样中心附近的岩石和水泥砂 浆内. 3 数值模拟 3郾 1 数值模型的建立 为进一步探究岩石―水泥砂浆交界面的破坏机 理,采用颗粒流程序 PFC 2D对巴西劈裂试验进行了模 拟. PFC 2D既可以直接模拟圆形颗粒的运动与相互作 用问题,也可以通过两个或者多个颗粒与其直接相 邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结 构问题[20] . 在 PFC 2D中,颗粒之间的黏结有两种基本 模型:接触黏结模型和平行黏结模型,平行黏结刚度 更适用于模拟硬岩类材料[21] . 因此,本文采用平行 黏结模型. 图 6 花岗岩(a)和水泥砂浆(b)的单轴压缩试验 Fig. 6 Uniaxial compression test of granite (a) and cement mortar (b) 如图 6 所示,对 准50 mm 伊 100 mm 的花岗岩和水泥 ·1298·

李夕兵等：考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 ·1299· 砂浆的圆柱形试样进行了室内单轴压缩实验，得到了 如表2所示的宏观力学参数.利用P℉C2”建立了如图7 所示的二维离散元模型，模型直径为75mm,黑色箭头 表示加载方向，并通过“试错法”标定模型的微观参 数，直到数值模型的宏观参数与单轴压缩实验所获得 的宏观力学参数一致，微观力学参数如表3所示.本 次模拟的岩石一水泥砂浆交界面与加载方向的角度0 分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°. 表2单轴压缩试验下岩石和水泥砂浆的宏观力学参数 Table 2 Macroscopic mechanical parameters of rock and cement mortar under uniaxial compression test 密度，pl 单轴抗压强 弹性模量，泊松比， 图7岩石一水泥砂浆交界面的数值模型 试样类型 (kg'm-3) 度，ce/MPa E/GPa Fig.7 Numerical model of rock-cement mortar interface 花岗岩 2641.07 133.97 33.370 0.213 3.2数值模拟结果分析 水泥砂浆 1866.49 20.89 4.469 0.164 通过程序自带的FISH语言，PFC2”在微观方面可 表3数值模型的微观参数 Table 3 Microscopic parameters of numerical model 接触黏结 平行黏结 试样 粒径/mm 摩擦系数 模量/GPa 刚度比 模量/GPa 刚度比 法向强度/MPa 切向强度/MPa 花岗岩 0.300-0.498 0.5 24.8 2.0 24.8 2.0 84.5±8.5 105.2±10.5 水泥砂浆 0.300~0.498 0.5 3.2 1.4 3.2 1.4 14.1±1.4 17.6±1.8 交界面 0.300~0.498 0.5 14.0 1.7 14.0 1.7 1.0±0.1 1.0±0.1 以监测试验过程中试样内部各点的接触力、微裂隙类 形成宏观可见裂纹.因此，选用裂纹分布图和位移矢 型以及微裂隙数量的变化，在宏观方面可以观察到试 量场来分析试样的破坏机理 样表面裂隙的发育、试样整体的位移等情况.P℉C2” 图8显示了不同方向下的岩石一水泥砂浆交界面 中，当颗粒受到外界载荷作用时，颗粒之间发生移动并 发生破坏时的裂纹分布图，红色表示剪切裂纹，黑色表 改变颗粒之间的黏结作用力，当黏结作用力超过颗粒 示拉伸裂纹.表4给出了不同方向下总裂纹数目、拉 之间的黏结强度时，微观裂纹产生，相邻裂纹搭接进而 伸裂纹数目及比例和剪切裂纹数目及比例.岩石一水 (a b 6 图8不同方向下的裂纹分布图.(a)6=0°：(b)0=15°：(c)6=30°：(d)0=45°；(e)0=60°：()6=75°；(g)6=90° Fig.8 Crack distributions under different orientations:(a)6=0°；(b)6=l5°；(c)6=30°；(d)8=45°；(e)8=60°；(f)0-75°；(g)6= 90°

李夕兵等: 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 砂浆的圆柱形试样进行了室内单轴压缩实验,得到了 如表 2 所示的宏观力学参数. 利用 PFC 2D建立了如图 7 所示的二维离散元模型,模型直径为 75 mm,黑色箭头 表示加载方向,并通过“试错法冶 标定模型的微观参 数,直到数值模型的宏观参数与单轴压缩实验所获得 的宏观力学参数一致,微观力学参数如表 3 所示. 本 次模拟的岩石―水泥砂浆交界面与加载方向的角度 兹 分别为 0毅,15毅,30毅,45毅,60毅,75毅和 90毅. 表 2 单轴压缩试验下岩石和水泥砂浆的宏观力学参数 Table 2 Macroscopic mechanical parameters of rock and cement mortar under uniaxial compression test 试样类型 密度,籽 / (kg·m - 3 ) 单轴抗压强 度,滓c / MPa 弹性模量, E/ GPa 泊松比, 自 花岗岩 2641郾 07 133郾 97 33郾 370 0郾 213 水泥砂浆 1866郾 49 20郾 89 4郾 469 0郾 164 图 7 岩石―水泥砂浆交界面的数值模型 Fig. 7 Numerical model of rock鄄鄄 cement mortar interface 3郾 2 数值模拟结果分析 通过程序自带的 FISH 语言,PFC 2D在微观方面可 表 3 数值模型的微观参数 Table 3 Microscopic parameters of numerical model 试样 粒径/ mm 摩擦系数 接触黏结 平行黏结 模量/ GPa 刚度比 模量/ GPa 刚度比 法向强度/ MPa 切向强度/ MPa 花岗岩 0郾 300 ~ 0郾 498 0郾 5 24郾 8 2郾 0 24郾 8 2郾 0 84郾 5 依 8郾 5 105郾 2 依 10郾 5 水泥砂浆 0郾 300 ~ 0郾 498 0郾 5 3郾 2 1郾 4 3郾 2 1郾 4 14郾 1 依 1郾 4 17郾 6 依 1郾 8 交界面 0郾 300 ~ 0郾 498 0郾 5 14郾 0 1郾 7 14郾 0 1郾 7 1郾 0 依 0郾 1 1郾 0 依 0郾 1 图 8 不同方向下的裂纹分布图 郾 (a) 兹 = 0毅; (b) 兹 = 15毅; (c) 兹 = 30毅; (d) 兹 = 45毅; (e) 兹 = 60毅; (f) 兹 = 75毅; (g) 兹 = 90毅 Fig. 8 Crack distributions under different orientations: (a) 兹 = 0毅; (b) 兹 = 15毅; (c) 兹 = 30毅; (d) 兹 = 45毅; (e) 兹 = 60毅; (f) 兹 = 75毅; (g) 兹 = 90毅 以监测试验过程中试样内部各点的接触力、微裂隙类 型以及微裂隙数量的变化,在宏观方面可以观察到试 样表面裂隙的发育、试样整体的位移等情况. PFC 2D 中,当颗粒受到外界载荷作用时,颗粒之间发生移动并 改变颗粒之间的黏结作用力,当黏结作用力超过颗粒 之间的黏结强度时,微观裂纹产生,相邻裂纹搭接进而 形成宏观可见裂纹. 因此,选用裂纹分布图和位移矢 量场来分析试样的破坏机理. 图 8 显示了不同方向下的岩石―水泥砂浆交界面 发生破坏时的裂纹分布图,红色表示剪切裂纹,黑色表 示拉伸裂纹. 表 4 给出了不同方向下总裂纹数目、拉 伸裂纹数目及比例和剪切裂纹数目及比例. 岩石―水 ·1299·