预制裂纹方向与大小对
岩石破坏及强度影响的试验总结
试验一：含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究
1、实验人员
周建超，贾纯驰，吕建国( 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083 )
2、实验目的
对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角 对脆性岩石渐进性破坏过程的影响
3、实验方法
实验试样取自福建，岩石种类为花岗岩。试样的预制裂纹制作过程为：首先用高压水枪在试样中心穿一个孔径为2m 的圆孔，再用金刚石线锯，以小孔为中心点在试样上进行切割，加工出一条长度为20mm 裂隙面间距为0.26mm 的预制裂纹 根据预制裂隙面与加载方向的夹角不同，分别加工出倾角0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 为七组，每组3个试样试样的上下端面经过研磨加工，保证2个加载面之间的不平行度不超过0.05mm ，端面垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°。因花岗岩本身颜色较为复杂，造成对裂纹扩展的观察记录不便，故将试样外表面漆成亚光黑色。
利用电液伺服万能材料试验机对试样进行加压试验，加载速率为0.2Mpa/s，通过数码摄像机对试验过程中试样表面的裂纹扩展情况进行实时记录。在试样上粘贴应变片，分别记录轴向和径向应变。
4、实验结论
(1) 脆性岩石单轴压缩破坏过程包含5段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后阶段，其中，裂纹压密阶段并不一定存在，相关脆性岩石的应力-应变曲线展现了3个重要的应力水平：裂纹起始应力σci ，不稳定裂纹生长应力即裂纹加速扩展应力σcd ，峰值强度岩石σf 。
(2) 预制裂纹倾角大小对应力门槛值的影响是显著的，预制裂纹倾角α越大，则σci 及σf 越高 且预制裂纹倾角变化对σcd 及σf 的影响较为稳定，而对σci 的影响则比较复杂，这可能与预制裂纹两裂隙面间的相互作用力有关。因此，裂纹加速扩展应力σcd 更能反映岩石本身的材料特质。
(3) 预制裂纹倾角α
(4) 扩展方式有显著影响。倾角α越小，以预制裂纹为扩展中心的裂纹数目越多，特别的，由岩石本身内部结构所决定的内摩擦角对裂纹的扩展方式亦有决定性作用。
(5) 目前岩石实验所得出的实验数据均具有很大的局限性，大多只能表现表面和局部的变化 然而岩石的很多损伤是发生在内部的，虽然应变片可以比较精确传输出岩石在受压过程中的应变变化，但受粘贴位置及粘贴点数的限制，所测得实验数据只能代表局部的变化过程，并不能很好的反映试样整体的变化过程，更无法给出岩石体上某点的应力状态。
试验二：基于高速摄影的单预制裂纹大理岩加卸载试验
1、实验人员
宋彦琦，李名，王晓，李小瑞，付小龙
（1、中国矿业大学(北京) 理学院 ，北京100083
2、中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京100083
3、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）
1、实验目的
研究裂纹缺陷对岩石材料强度、变形特性以及断口走向的影响。
3、实验方法
为了对比大理岩在加、卸载下，岩石的基本力学性质以及裂隙扩展、贯通过程，得到相关参数和试件的破坏过程。本实验采用了如下3种实验方案：
a) 单轴加载：轴压以0.004mm/s的速率加载, 直至试件破坏。
b ）双轴加载:先侧压和轴压以0.004mm/s的速率同时加载至20Mpa, 然后轴 压以0.004mm/s的速率继续加载至试件破坏。
c ）卸载破坏先侧压和轴压以0.004mm/s的速率同时加载至20Mpa ，轴压以 0.004mm/s的速率继续加载至略高于单轴强度锁定轴向位移侧向荷载以0.8Mpa/s的速率卸载, 使试件发生破坏。
加卸载的过程中用高速相机记录试件在最后5s 的破坏过程，高速相机的拍
摄速度为 1万张/s
4、实验结论
1、根据载荷-位移曲线，卸载试件的轴向破坏荷载低于单轴加载试件和双轴加载试件。即卸载时，大理岩的破坏强度偏低，卸载过程中的变形斜率高于加载过程。试验现象上，对于预制裂纹大理石试件，破坏前很长一段时间在预制裂纹尖端就开始有损伤和微裂纹的孕育和发展，正是预制裂纹尖端新裂纹的产生和充分扩展最终导致了岩石的破坏，但在加载曲线上不会产生明显的响应。
2、在不同荷载条件下，新裂纹的起裂和扩展方向有所差异，大致可以分为翼型裂纹、次生共面裂纹、次生倾斜裂纹和其他方向裂纹，其中次生倾斜裂纹在3种加载条件下都为主裂纹，产生于与预制裂纹面夹角-100°至-130°区域。且 新产生的裂纹多以裂纹带的形式出现。
3、对于本试验的3种加载方案下的试件裂纹尖端最大环向拉应力方向与预 制裂纹尖端都成90°。剪应力存在3个极值方向分别与原裂纹面夹角约 -115°、20°、135°。以上4个角度为由拉应力和剪应力导致裂纹的理论角度，试验中的翼型裂纹角度与理论值中的90°，次生倾斜裂纹角度与理论值-115°基本一致。
4、卸载下预制裂纹岩石的破坏形态与破坏方式比单轴加载和双轴加载都更 为复杂，卸载初始阶段剪应力在破坏过程中起主导作用，但在破坏前的最后阶段试件表现出明显的拉剪组合破坏。卸载下预制裂纹尖端产生的裂纹条数要多于加 载，且破坏程度相对较高，破坏速度比加载更快，几乎未留下较大较完整碎块，卸载（同加载）过程中，裂纹尖端的最大环向拉应力和剪应力逐渐增大 ，与预制裂纹的夹角逐渐减小，导致新裂纹产生形式多为带状。
试验三：含预制裂纹脆性岩石破坏数值模拟研究
1、实验人员
王士民、刘丰军、叶 飞、李 鹤
（1同济大学地下建筑与工程系上海20092；
2河南科技大学建筑工程学院洛阳47103）
2、实验目的
应用数值模拟方法对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行初步的研究，分析裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。
3、实验方法
应用的演化细胞自动机方法是结合岩石力学的基本原理和细胞自动机的基本理论，以位移、力、应力和应变等矢量为系统的基本变量建立一种含有两种细胞的演化细胞自动机模型。在该模型中将岩石试件划分成一定数目的两类细胞一类为三角形细胞，其状态变量为三角形细胞内的应力和应变；另一类为节点细胞，其状态变量为节点细胞上的位移和力, 两种细胞相互连接起来，共同形成细胞空间。根据计算的需要, 一个模型中同时包含了两类细胞，二者互为邻居，共同构成整个系统的令吕居结构。细胞自动机的演化规则是细胞自动机系统演化的基本依据，它由一系列的子规则构成，每一个子规则都定义了一个细胞从上一时刻到下一时刻细胞状态改变的映射关系。模型的演化规则如下：
（1）对于任意三角形细胞i ，其邻居是与它相邻的节点细胞，因此其状态变量应力在下一时刻的状态由其邻居节点细胞的位移共同决定。
（2）对于任意节点细胞i ，其邻居是与它相邻的三角形细胞，它的状态变量位移在下一时刻的状态由其邻居三角形细胞的应力和系统外力共同决定。
（3）在模拟过程中，当系统演化达到平衡以后要对三角形细胞的应力状态进行破坏判断，因而建立三角形细胞破坏演化规则，具体规则是：如果三角形细胞死亡，则应力σ=0。
4、实验结论
应用数值模拟方法，对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行了初步地研究，分析了裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。研究发现，在对带有预制裂纹的岩石试件进行加载试验过程中，预制裂纹的存在成为影响岩石破裂方式的主要因素。与之相比，由于材料非均质性所造成的影响便成了次要因素，而对于含有双预制裂纹的岩石试件，双预制裂纹的间距是影响岩石破坏形式的重要因素。此外，单裂纹的角度、长度和双裂纹的角度、长度以及相对位置等因素都是影响脆性岩石材料破坏形式的重要因素，有待进一步地研究。
试验四：预制裂纹几何与材料属性对岩石裂纹扩展的影响研究
1、实验人员
潘鹏志、丁梧秀、冯夏庭、姚华彦、周辉
（1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；
2. 洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 471023）
2、实验目的
采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D ，研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。
3、实验方法
3.1、预制裂纹表征模型
采用弱化元胞单元来代表岩石试件中的预制裂纹，从而将岩石预制裂纹的扩展和搭接过程问题纳入连续介质的范畴进行求解。
弱化元胞单元的泊松比与基质单元的泊松比保持一致。采用弱化元胞单元来表征裂隙，可以避免在加载过程中裂纹面之间的相互嵌入问题。尽管裂隙的力学属性是各向同性的，但是由于裂隙的存在而造成岩样整体力学性质的各向异性却能得到很好的反映。
3.2、实验结论基质非均质模型
岩石是一种非均质材料，在载荷作用下，微裂隙将从裂隙的尖端开始萌生，然后扩展，虽然预制裂纹的存在对裂纹的扩展起着决定性的作用，作为岩石基质的岩桥部分，其非均匀性对裂纹的扩展路径和程度也有重要的影响。
3.3、本构关系和强度准则
在外载荷作用下，岩石内部微裂隙的萌生、扩展取决于元胞单元遵循的本构关系和强度准则。岩石是一种典型的准脆性材料，在宏观上表现的脆性性质是组成岩石的元胞单元脆性性质的反映。
4、实验结论
裂纹的扩展和搭接破坏模式受两个因素的影响，即裂纹的几何排列方式和基质材料的力学属性。通过两裂纹和三裂纹岩样的破裂机制的分析，可以解释含更多裂纹岩样的破裂过程。基质材料力学属性的差异表现在两个方面：一个是岩样本身的非均质性，另一个是岩样之间力学性质的差异。岩石是一种非均质材料，岩样各个点的力学性质是有差别的。另外，在实际中，同一个岩块中的不同区域，其力学性质有可能差别较大，因为所取的试件较小，试样之间的这种差异的存在更是显而易见。正是由于岩石基质材料性质的差异才造成实验结果的离散性。利用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D ，采用数值模拟的手段，从机制上较好地解释了造成这种离散性的原因。
预制裂纹方向与大小对
岩石破坏及强度影响的试验总结
试验一：含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究
1、实验人员
周建超，贾纯驰，吕建国( 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083 )
2、实验目的
对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角 对脆性岩石渐进性破坏过程的影响
3、实验方法
实验试样取自福建，岩石种类为花岗岩。试样的预制裂纹制作过程为：首先用高压水枪在试样中心穿一个孔径为2m 的圆孔，再用金刚石线锯，以小孔为中心点在试样上进行切割，加工出一条长度为20mm 裂隙面间距为0.26mm 的预制裂纹 根据预制裂隙面与加载方向的夹角不同，分别加工出倾角0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 为七组，每组3个试样试样的上下端面经过研磨加工，保证2个加载面之间的不平行度不超过0.05mm ，端面垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°。因花岗岩本身颜色较为复杂，造成对裂纹扩展的观察记录不便，故将试样外表面漆成亚光黑色。
利用电液伺服万能材料试验机对试样进行加压试验，加载速率为0.2Mpa/s，通过数码摄像机对试验过程中试样表面的裂纹扩展情况进行实时记录。在试样上粘贴应变片，分别记录轴向和径向应变。
4、实验结论
(1) 脆性岩石单轴压缩破坏过程包含5段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后阶段，其中，裂纹压密阶段并不一定存在，相关脆性岩石的应力-应变曲线展现了3个重要的应力水平：裂纹起始应力σci ，不稳定裂纹生长应力即裂纹加速扩展应力σcd ，峰值强度岩石σf 。
(2) 预制裂纹倾角大小对应力门槛值的影响是显著的，预制裂纹倾角α越大，则σci 及σf 越高 且预制裂纹倾角变化对σcd 及σf 的影响较为稳定，而对σci 的影响则比较复杂，这可能与预制裂纹两裂隙面间的相互作用力有关。因此，裂纹加速扩展应力σcd 更能反映岩石本身的材料特质。
(3) 预制裂纹倾角α
(4) 扩展方式有显著影响。倾角α越小，以预制裂纹为扩展中心的裂纹数目越多，特别的，由岩石本身内部结构所决定的内摩擦角对裂纹的扩展方式亦有决定性作用。
(5) 目前岩石实验所得出的实验数据均具有很大的局限性，大多只能表现表面和局部的变化 然而岩石的很多损伤是发生在内部的，虽然应变片可以比较精确传输出岩石在受压过程中的应变变化，但受粘贴位置及粘贴点数的限制，所测得实验数据只能代表局部的变化过程，并不能很好的反映试样整体的变化过程，更无法给出岩石体上某点的应力状态。
试验二：基于高速摄影的单预制裂纹大理岩加卸载试验
1、实验人员
宋彦琦，李名，王晓，李小瑞，付小龙
（1、中国矿业大学(北京) 理学院 ，北京100083
2、中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京100083
3、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）
1、实验目的
研究裂纹缺陷对岩石材料强度、变形特性以及断口走向的影响。
3、实验方法
为了对比大理岩在加、卸载下，岩石的基本力学性质以及裂隙扩展、贯通过程，得到相关参数和试件的破坏过程。本实验采用了如下3种实验方案：
a) 单轴加载：轴压以0.004mm/s的速率加载, 直至试件破坏。
b ）双轴加载:先侧压和轴压以0.004mm/s的速率同时加载至20Mpa, 然后轴 压以0.004mm/s的速率继续加载至试件破坏。
c ）卸载破坏先侧压和轴压以0.004mm/s的速率同时加载至20Mpa ，轴压以 0.004mm/s的速率继续加载至略高于单轴强度锁定轴向位移侧向荷载以0.8Mpa/s的速率卸载, 使试件发生破坏。
加卸载的过程中用高速相机记录试件在最后5s 的破坏过程，高速相机的拍
摄速度为 1万张/s
4、实验结论
1、根据载荷-位移曲线，卸载试件的轴向破坏荷载低于单轴加载试件和双轴加载试件。即卸载时，大理岩的破坏强度偏低，卸载过程中的变形斜率高于加载过程。试验现象上，对于预制裂纹大理石试件，破坏前很长一段时间在预制裂纹尖端就开始有损伤和微裂纹的孕育和发展，正是预制裂纹尖端新裂纹的产生和充分扩展最终导致了岩石的破坏，但在加载曲线上不会产生明显的响应。
2、在不同荷载条件下，新裂纹的起裂和扩展方向有所差异，大致可以分为翼型裂纹、次生共面裂纹、次生倾斜裂纹和其他方向裂纹，其中次生倾斜裂纹在3种加载条件下都为主裂纹，产生于与预制裂纹面夹角-100°至-130°区域。且 新产生的裂纹多以裂纹带的形式出现。
3、对于本试验的3种加载方案下的试件裂纹尖端最大环向拉应力方向与预 制裂纹尖端都成90°。剪应力存在3个极值方向分别与原裂纹面夹角约 -115°、20°、135°。以上4个角度为由拉应力和剪应力导致裂纹的理论角度，试验中的翼型裂纹角度与理论值中的90°，次生倾斜裂纹角度与理论值-115°基本一致。
4、卸载下预制裂纹岩石的破坏形态与破坏方式比单轴加载和双轴加载都更 为复杂，卸载初始阶段剪应力在破坏过程中起主导作用，但在破坏前的最后阶段试件表现出明显的拉剪组合破坏。卸载下预制裂纹尖端产生的裂纹条数要多于加 载，且破坏程度相对较高，破坏速度比加载更快，几乎未留下较大较完整碎块，卸载（同加载）过程中，裂纹尖端的最大环向拉应力和剪应力逐渐增大 ，与预制裂纹的夹角逐渐减小，导致新裂纹产生形式多为带状。
试验三：含预制裂纹脆性岩石破坏数值模拟研究
1、实验人员
王士民、刘丰军、叶 飞、李 鹤
（1同济大学地下建筑与工程系上海20092；
2河南科技大学建筑工程学院洛阳47103）
2、实验目的
应用数值模拟方法对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行初步的研究，分析裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。
3、实验方法
应用的演化细胞自动机方法是结合岩石力学的基本原理和细胞自动机的基本理论，以位移、力、应力和应变等矢量为系统的基本变量建立一种含有两种细胞的演化细胞自动机模型。在该模型中将岩石试件划分成一定数目的两类细胞一类为三角形细胞，其状态变量为三角形细胞内的应力和应变；另一类为节点细胞，其状态变量为节点细胞上的位移和力, 两种细胞相互连接起来，共同形成细胞空间。根据计算的需要, 一个模型中同时包含了两类细胞，二者互为邻居，共同构成整个系统的令吕居结构。细胞自动机的演化规则是细胞自动机系统演化的基本依据，它由一系列的子规则构成，每一个子规则都定义了一个细胞从上一时刻到下一时刻细胞状态改变的映射关系。模型的演化规则如下：
（1）对于任意三角形细胞i ，其邻居是与它相邻的节点细胞，因此其状态变量应力在下一时刻的状态由其邻居节点细胞的位移共同决定。
（2）对于任意节点细胞i ，其邻居是与它相邻的三角形细胞，它的状态变量位移在下一时刻的状态由其邻居三角形细胞的应力和系统外力共同决定。
（3）在模拟过程中，当系统演化达到平衡以后要对三角形细胞的应力状态进行破坏判断，因而建立三角形细胞破坏演化规则，具体规则是：如果三角形细胞死亡，则应力σ=0。
4、实验结论
应用数值模拟方法，对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行了初步地研究，分析了裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。研究发现，在对带有预制裂纹的岩石试件进行加载试验过程中，预制裂纹的存在成为影响岩石破裂方式的主要因素。与之相比，由于材料非均质性所造成的影响便成了次要因素，而对于含有双预制裂纹的岩石试件，双预制裂纹的间距是影响岩石破坏形式的重要因素。此外，单裂纹的角度、长度和双裂纹的角度、长度以及相对位置等因素都是影响脆性岩石材料破坏形式的重要因素，有待进一步地研究。
试验四：预制裂纹几何与材料属性对岩石裂纹扩展的影响研究
1、实验人员
潘鹏志、丁梧秀、冯夏庭、姚华彦、周辉
（1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；
2. 洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 471023）
2、实验目的
采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D ，研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。
3、实验方法
3.1、预制裂纹表征模型
采用弱化元胞单元来代表岩石试件中的预制裂纹，从而将岩石预制裂纹的扩展和搭接过程问题纳入连续介质的范畴进行求解。
弱化元胞单元的泊松比与基质单元的泊松比保持一致。采用弱化元胞单元来表征裂隙，可以避免在加载过程中裂纹面之间的相互嵌入问题。尽管裂隙的力学属性是各向同性的，但是由于裂隙的存在而造成岩样整体力学性质的各向异性却能得到很好的反映。
3.2、实验结论基质非均质模型
岩石是一种非均质材料，在载荷作用下，微裂隙将从裂隙的尖端开始萌生，然后扩展，虽然预制裂纹的存在对裂纹的扩展起着决定性的作用，作为岩石基质的岩桥部分，其非均匀性对裂纹的扩展路径和程度也有重要的影响。
3.3、本构关系和强度准则
在外载荷作用下，岩石内部微裂隙的萌生、扩展取决于元胞单元遵循的本构关系和强度准则。岩石是一种典型的准脆性材料，在宏观上表现的脆性性质是组成岩石的元胞单元脆性性质的反映。
4、实验结论
裂纹的扩展和搭接破坏模式受两个因素的影响，即裂纹的几何排列方式和基质材料的力学属性。通过两裂纹和三裂纹岩样的破裂机制的分析，可以解释含更多裂纹岩样的破裂过程。基质材料力学属性的差异表现在两个方面：一个是岩样本身的非均质性，另一个是岩样之间力学性质的差异。岩石是一种非均质材料，岩样各个点的力学性质是有差别的。另外，在实际中，同一个岩块中的不同区域，其力学性质有可能差别较大，因为所取的试件较小，试样之间的这种差异的存在更是显而易见。正是由于岩石基质材料性质的差异才造成实验结果的离散性。利用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D ，采用数值模拟的手段，从机制上较好地解释了造成这种离散性的原因。