岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法
混凝土常见裂缝种类及分析示意图
混凝土常见裂缝种类及分析示意图2 混凝土结构中的非荷载裂缝混凝土结构是我国工程结构中最常见、应用最广泛的结构形式之一。
但由于混凝土结构自身组成材料的弱点（抗拉强度较低），在使用条件下容易出现裂缝，这里所说的裂缝是指肉眼可见的宏观裂缝，而不是微观裂缝，其宽度应在0.05mm以上。
混凝土结构中常见的裂缝可分为两类，一类是由于结构承受荷载产生的裂缝，这类裂缝是结构在荷载作用下在某些部位产生的拉应力超过了材料的抗拉强度而引起的，又称为“荷载裂缝”；另一类是由于混凝土材料的收缩变形、温度变化以及混凝土内钢筋锈蚀等原因引起的裂缝，又称为“非荷载裂缝”。
目前，国内外对因荷载作用引起的“荷载裂缝”进行了较深入地研究，建立了相关的理论和控制标准，而对因其他原因引起的“非荷载裂缝”则主要是在设计和施工中规定了一些构造措施来防止和减轻，尚未建立起有效的计算理论和控制措施，因此，本文将混凝土结构中的“非荷载裂缝”作为主要的研究对象来加以分析。
2．1 非荷载裂缝的分类2．1．1 混凝土硬化以前新拌混凝土的塑性裂缝出现塑性裂缝的主要原因有：a）新拌混凝土在可塑状态下凝结收缩而产生的塑性收缩裂缝；b）可塑状态下新拌混凝土，其组成材料因受力下沉不均匀或下沉受阻而产生的塑性沉降裂缝；c）可塑状态下的混凝土因模板变形、支架下沉或受到施工过程中的扰动、移动等原因而产生的其他塑性裂缝。
2．1．2 硬化混凝土的早期收缩裂缝硬化混凝土早期收缩裂缝主要包括干燥裂缝、自生收缩裂缝和温度收缩裂缝。
1）干燥收缩裂缝干燥时收缩，受湿时膨胀，这是水泥基混凝土材料的固有特性，其主要原因是混凝土内的固体水泥浆体体积会随含水量而改变。
混凝土中骨料对水泥浆体积的变化起到了很大的约束作用，使混凝土的体积变化远低于水泥浆体的体积变化。
在硬化水泥浆体中，部分水存在于浆体的毛细孔隙内，而相当一部分水则存在于水泥硅酸钙凝胶体之中。
混凝土干燥时，首先失去的是较大孔径的毛细孔隙中的自由水份，但这几乎不会引起固体浆体体积的变化，只有很小孔径毛细孔隙水和凝胶体内的吸附水与胶体的层间孔隙水减少时才会引起明显的收缩。
最新裂缝识别与评价
5．裂缝渗透率：只与裂缝宽度有关，假定裂宽为： ，Kf 与裂宽平方成正比
6．裂缝性岩石渗透率K K=Kf+Kb
裂缝识别与评价
一、常规测井曲线对裂缝的响应 二、真假裂缝的识别 三、天然裂缝与人工诱导裂缝的识别 四、裂缝的有效性的测井评价及参数计算 五、测井资料探测裂缝的综合分析及实例 六、裂缝储层的综合评价 七、裂缝发育规律及现代地应力场研究
裂缝识别测井（FIL）把每相邻的两极板的微电阻率曲重迭记录 1）双井径 2）极板方位曲线 3）4条微电阻率曲线 把地层倾角显示形式改变（相邻的极板的RT曲线重叠记录）
电导率异常检测（DCA） 识别原理：四个极板的方位角计算出来，检测它的电导产生 异常，对某一极板把它的电导率值与相邻两极板进行比较， 裂缝处高值，某一极板的电导率-相邻板电导率取最小差异值， 把此值附加在该极板的方位角曲线上。
一、常规测井曲线对裂缝的响应
1．SP（致密性的石灰岩、白云岩）明显异常。 2．CAL（（井径曲线）在裂缝发育带，有明显扩径现
象。椭圆井眼，定向扩径。 3．电阻率曲线R： （1）微侧向测井 电极系尺寸小，测量范围小，贴井壁，对裂缝反映灵敏。 明显的微侧向低阻异常。
双侧向测井电阻率曲线 双侧向的探测深度、探测范围大，反映较大范围内的地层特
叫裂缝率、裂缝频率或线性裂缝率。 裂缝孔隙度：裂缝总体积与岩石总体积的比值。
计算方法
1)基于理想模型的裂缝孔隙度和裂缝密度的估算(T．D．范高 尔夫—拉特，1989)
2)基于岩心模型的裂缝孔隙度和裂缝密度计算
并假设：(1)计算段内岩心柱铅直；
(2)岩心柱内裂缝面为一平面；
(3)裂缝宽度可测，宽度不可测的隐含裂缝不在计算范围 内。
层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析
第25卷 增2岩石力学与工程学报 V ol.25 Supp.22006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006收稿日期：2005–10–13；修回日期：2005–12–19基金项目：国家自然科学基金资助项目(40472145)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705)作者简介：黎立云(1959–)，女，1982年毕业于中南矿冶学院基础部力学师资班，现任副教授、硕士生导师，主要从事岩石断裂与强度方面的教学与研究工作。
E-mail ：ly..li @层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析黎立云1，宁海龙1，刘志宝1，佘云龙1，刘大安2，付敬辉1(1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)摘要：对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究，同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。
由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性，导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性，如I 型及I –II 复合型裂纹的剪切起裂扩展，锯齿状的裂纹扩展路径等等。
此外，通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。
由计算所得的K I 和K II 数值解，得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。
通过试验及理论探讨，为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础，所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。
关键词：岩石力学；层状岩体；强度破坏；裂纹扩展；特殊现象；数值计算中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增2–3933–06SPECIAL PHENOMENA OF FRACTURE AND MECHANISM ANALYSIS OFLAYERED ROCK MASSLI Liyun 1，NING Hailong 1，LIU Zhibao 1，SHE Yunlong 1，LIU Da ′an 2，FU Jinghui 1(1. School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ；2. Institute of Geology and Geophysics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100029，China )Abstract ：The strength experimental investigations on layered mud rock mass have been conducted. For the two basic situations where the crack is vertical to layered rock mass and parallel to layers ，the experimental studies on crack fracture initiation in the layered rock mass have been carried out. Due to the obvious orthogonal aeolotropy in strength ，the layered rock mass displays obvious particularities in crack fracture initiation ，for example ，the shear expanding in pure model I and mixed model I –II crack tips ，winding propagation routes. In addition ，the fracture mechanism has been analyzed using fracture mechanics and finite element method. The critical fracture curve when cracks are vertical to the layered rock mass has also been obtained by using numerical values K I and K II . The experimental research and the theoretical discussion may provide a foundation for the usual situation analysis when cracks are inclined to layered rock mass. The results and the critical fracture curve can provide references to layered rock mass slope projects.Key words ：rock mechanics ；layered rock mass ；strength failure ；fracture propagation ；special phenomenon ；numerical calculation1 引 言层状岩体是工程中大量遇到的岩体，是一种结构性很强的岩体，材料性能表现为各向异性，在强度方面，显示出与均匀材料很不相同的特性。
裂缝识别
裂缝成因、力学性质、充填物等裂缝特征一般分成两大类八小类： 裂缝成因、力学性质、充填物等裂缝特征一般分成两大类八小类： 构造裂缝，包括方解石全充填的张性裂缝、 (1)构造裂缝，包括方解石全充填的张性裂缝、方解石半充填的张性 裂缝、泥质充填的压扭裂缝、末充填的微细裂缝、构造缝合线； 裂缝、泥质充填的压扭裂缝、末充填的微细裂缝、构造缝合线； 非构造裂缝，包括成岩收缩网状微裂缝、成岩缝合线、风化裂缝。 (2)非构造裂缝，包括成岩收缩网状微裂缝、成岩缝合线、风化裂缝。
一、常规测井曲线对裂缝的响应
1．SP（致密性的石灰岩、白云岩）明显异常。 ． （致密性的石灰岩、白云岩）明显异常。 2． CAL（（ 井径曲线 ） 在裂缝发育带 ， 有明显扩径现 ． （（井径曲线 （（ 井径曲线） 在裂缝发育带， 象。椭圆井眼，定向扩径。 椭圆井眼，定向扩径。 3．电阻率曲线R： ．电阻率曲线 ： （1）微侧向测井 ） 电极系尺寸小，测量范围小，贴井壁，对裂缝反映灵敏。 电极系尺寸小，测量范围小，贴井壁，对裂缝反映灵敏。 明显的微侧向低阻异常。 明显的微侧向低阻异常。
不同研究角度出发，将裂缝分类可划分为三类： 不同研究角度出发，将裂缝分类可划分为三类： 几何学分类，基于裂缝尺度、产状、形态、密度、 (1)几何学分类，基于裂缝尺度、产状、形态、密度、开度以及可测 量性。 量性。 地质分类，基于构造变形、应力状态、地层岩性、地层厚度、 (2)地质分类，基于构造变形、应力状态、地层岩性、地层厚度、地 质环境。 质环境。 成因分类，基于实验室的挤压、扩张、拉张试验所形成的剪裂缝、 (3)成因分类，基于实验室的挤压、扩张、拉张试验所形成的剪裂缝、 扩张裂缝、拉张裂缝。 扩张裂缝、拉张裂缝。
第三章 岩体的变形与破坏
第三章岩体的变形与破坏变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。
破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。
1．岩体变形破坏的一般过程和特点（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段①压密阶段（OA段）：非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显；裂隙闭合、充填物压密。
应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。
②弹性变形阶段（AB段）：经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；应力-应变呈线性关系；弹性极限B点。
③稳定破裂发展阶段（BC段）：超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。
a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展；b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；④不稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发展出现质的变化：a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展；b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。
“累进性破坏”。
c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大；※结构不均匀；起始点为“长期强度”；⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）：破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低，岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。
应重视的问题：①各发展阶段的界限点，尤其是“长期强度”；②空隙压力曲线：a.空隙水压力～体积应变、变形发展阶段；b.工程意义：滑坡、地震等。
（2）岩体破坏的基本形式①张性破坏（图示）；②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。
③塑性破坏（图示）。
破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；二者的相互关系。
①破坏形式与受力状态的关系：a.与围压σ3有关：低围压或负围压—拉张破坏（图示）；中等围压—剪切破坏（图示）；高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。
b.与σ2的关系：σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°；σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°;4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。
测井地质学-构造+裂缝+断层类型的识别
图a可见有四个构造层A、B、C、D，各有不同的产状；图b表示ABC层 消去D层产状以后的各层构造产状（包含倾角校正，方位校正）。图c是A、 B两层消除C层影响后的产状（相当于拉平C层）；图d是A层经消除B层产 状后，由向东倾变为向西倾5°。
因此，ABCD层的构造演化历史：A层沉积后，东侧抬升，A层西倾5°； B层沉积以后，西部相继抬升，使A层倾角变为0；C层沉积时西侧继续抬 升，A层段产状变成东倾，倾角5°；D层沉积时，西侧继续抬升，使得A 层段的倾角达到10°。说明了该区继东侧抬升后的西区更长时间的抬升构 造演化历程。
B、 孔隙的分布 由于碳酸盐的储层孔隙主要是成岩期及成岩后期的次生改造作 用而形成，因而孔隙的分布均匀程度视其次生改造作用的种类和 程度的不同而有很大的差别。压实、胶结、重结晶、矿物取代、 淋滤、溶蚀、缝合线对孔隙分布的非均质性有很大影响。
C、孔隙的形态 碳酸盐的孔隙形态差别很大，其形态大体上可分为三类：
碳酸盐岩岩石骨架及主要物理性质
碳酸盐岩的主要矿物成份是：方解石、白云石。但经常出现：石膏、硬石膏、 盐岩。另外尚含有粘土矿物、有机质、黄铁矿、硅质等。
以方解石为主的矿物：文石、低镁方解石、高镁方解石。成分为CaCO3。 白云石（CaMg（CO3）2）是在准同生期或成岩期由含镁方解石转变而来。 石膏的分子式为CaSO4·2H2O，含32.5%的CaO，46.51%的SO4和21%的H2O； 硬石膏是无水硫酸钙CaSO4。石膏、硬石膏可以是原生的，也可以是次生的。 它们都是在泻湖、盐湖中，在炎热干燥气候条件下蒸发而形成的。 盐岩是含各种氯和硫酸化合物杂质的NaCl；盐岩常与石膏、硬石膏层伴生。 石膏、硬石膏、盐岩一般不发育孔隙，因而无储集性和渗透性，不能作为储 集层，但可做盖层。
岩石边坡工程之一-概述及边坡变形破坏形式
2）边坡工程对铁路、公路、水利建设的影响
在铁路、公路与水利建设中，路堤边坡与路堑边 坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利设施的 安全运营与建设成本。在路堤施工中，在路堤高 度一定的条件下，坡角越大，路基所占面积越小， 反之就越大。在平原地区，由于耕地紧张，为了 保护耕地，路基边坡的坡角愈大愈好；而在山区， 大坡角的边坡能有效地减少路堤的填方量。而在 路堑、水利工程施工中，加大边坡的坡角，同样 也能取得减少土石方量的作用，从而降低建设成 本。
❖ 1、边坡岩体的变形特征 岩石边坡的变形以坡体未出现贯通性的破坏面
为特点，但在坡体的局部区域，特别在坡面附近 也可能出现一定程度的破裂与错动，但从整体而 言并未产生滑动破坏。
边坡变形主要形式：松动和蠕动。
❖ 松动
边坡形成的初始阶段，坡体表部往往出现一系列与坡面 近于平行的陡倾角张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体便 向临空方向松开、移动；这种过程和现象称为松动。
❖ 蠕动
边坡岩体在以自重应力为主的坡体应力长期作用 下，向临空方向缓慢而持续的变形，称为边坡蠕 动。
研究表明：蠕动的形成机制为岩土的粒间滑动 （塑性变形），或者沿岩石裂纹微错，或者由岩 体中一系列裂隙扩展所致。
蠕动是岩体在应力长期作用下，坡体内部产生的 一种缓慢的调整性形变，是岩体趋于破坏的演变 过程，坡体中由自重应力引起的剪应力与岩体长 期抗剪强度相比很低时，坡体减速蠕动；当应力 值接近或超过岩体长期抗剪强度时，坡体加速蠕 动，直至破坏。
❖ 岩体工程课程参考教材： 1、岩体力学，王文星主编，中南大学出版社； 2、岩石力学与工程，蔡美峰主编，科学出版社； 3、岩体力学，刘佑荣、唐辉明编著，中国地质大学出
版社；
4、岩石力学 ，张永兴主编 ，中国建筑工业出版社 。
裂缝的识别 图象处理及应用 教学课件
裂缝识别的基本步骤可分为：①成象测井资料的 输入，并将其转换为BMP图象格式；②采用图象增强 的手段对图象进行予处理，这里一般可分为以增强对 比度为目的，借以突出裂缝暗色区域的灰度拉伸的增 强方法；还有以去除背景噪声为目的的平滑滤波的增 强方法；③采用边缘提取或阈值控制分割的图象分割 方法将裂缝的区域从背景中分离出来，并形成只含有 裂缝区域的二值图象；④根据裂缝的具体形态，采用 不同的识别方法进行裂缝的识别；⑤依据一定的算法， 对识别出来的裂缝进行参数定量计算；⑥将识别后的 裂缝的形态和参数通过一定形式显示出来或存储起来； ⑦与已知的资料或人工识别的成果进行对比，验证识 别的具体效果。
但目前的解释只是停留在依赖专家经验的定性解释 和半定量解释阶段，自动化程度不高，人为主观因素比 较大，这些因素都大大地限制了成象测井解释技术的发 展。如何快速、准确地解释裂缝、孔洞等非均质地质信 息，已是测井分析家着重要解决的图象处理及应用
人类在复杂图象解释上具有与生俱来的学习本领和 解释技巧，具体表现在：①在纷乱复杂的噪声背景中可 以识别出物体的纹理特征和轮廓特征；②建立物体模型 对所观察到的现象和场景进行解释说明；③对众多的数 据类型和资源进行整合与抽象，并建立知识进行表达； ④可以在不同的数据表达层次上进行逻辑推理，最终完 成物体的识别与表达。然而人类的解释也存在着一些弊 端，表现在：①不可能经常如一地运用固定的知识和逻 辑来进行解释，识别和认知存在着模糊性、主观性、经 验性；②不能够进行精确的定量观察与解释；③人的记 忆力有限，不可能记住大量的数据或众多的数据类型； ④有时人类会因为各种原因（如疾病、情绪的变化）出 现不适应的情况；⑤主观上容易作出轻率的解释；⑥不 可避免地出现偏见和一定的主观上的倾向性；⑦在处理 连锁繁杂的形式和关系中，人有时会感到力不从心。
顺层岩质边坡结构特征及破坏模式
顺层岩质边坡结构特征及破坏模式一、不同类型边坡的结构特征分析由于岩体边坡在悠久的地质历史环境中不断改造，岩体边坡中存在着大量的软弱结构面，包括裂隙面、岩层面及节理面等，它们主导着边坡的变形发展，使得完整岩石力学特性的作用居于次位。
因此，与土体边坡不同，岩体边坡的破坏通常是沿着上述软弱结构面开始并发展的。
另外，如果岩体边坡发生失稳，其破坏规模往往较大，在众多岩体边坡稳定性的影响因素中，岩体结构是最为直接和重要的一项。
不同类型的岩体结构元素在岩体内的排列及组合形式称为岩体结构。
岩体结构主要决定着岩体强度及变形性质，因此，通常必须首先对岩体结构认识到位，才能够较为顺利地对岩体强度特性、变形特性及破坏机制展开研究，接着通过力学计算及相应的模型试验，获得相关的数据结果，最后才能进行实际工程的合理设计及防护。
1.岩体边坡的分类谷德振按岩体结构的不同，将岩体划分为完整结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构五大种类，与此对应，岩体边坡可被划分为完整岩体边坡、块状岩体边坡、层状岩体边坡、碎裂岩体边坡及散体岩体边坡五大种类。
各类岩体结构及相应边坡的主要特点总结如下。
1）完整结构此类结构岩体内部节理裂隙发育较少且不贯通，具有较高的拉压强度。
理想完整结构岩体边坡具有较强的稳定性，但是实际情况下，边坡长期受到构造应力及风化作用的影响，所以通常都会存在一定程度的节理发育，导致完整结构岩体边坡很少在自然界中存在。
2）块状结构此类结构岩体基本呈块状或中厚层状，结构面弱发育。
块状岩体边坡整体稳定性较好，局部稳定性受控于结构面及岩石整体的抗剪强度，其失稳模式多数为高陡边坡岩体沿结构面滑移崩塌。
3）层状结构此类结构岩体又可成为板裂结构岩体，基本呈层状，结构面普遍存在，具有以软弱夹层及层间错动带为代表的贯穿性软弱结构面，使得岩体表现出不均匀性及不连续性等特点。
层状岩体边坡的破坏形式主要受控于边坡坡角与岩层面倾角的相互关系，一般失稳破坏规模较大。
《裂缝识别与评价》课件
三、裂缝的评价
严重程度评价
裂缝的严重性对于维修决策至关 重要，不同程度需要采取不同的 措施，例如用聚合物、钢筋等材 料固定，还是重新施工。
对建筑物的影响评价
不同类型的裂缝可能对建筑物的 安全产生不同影响。对于有风险 的裂缝，需要采取及时有效的维 修措施。
维修方法评价
不同类型和严重性的裂缝可能需 要采用不同的维修方法，包括基 础加固、局部开裂处补强等。评 价维修方法对于维修工作的顺利 进行很有帮助。
缝的类型
常见的裂缝类型包括收缩缝、隙缝、抗拉缝，还有由于地基不均匀所产生的沉降缝、偏移缝 等。各种类型的裂缝具有不同的产生原因，也需要采取不同的维修方法。
裂缝产生的原因
建筑物结构材料的劣化，地基的沉降、变形，外部自然环境的影响，以及人为因素等都可能 导致裂缝的产生。了解产生原因对于之后的评价和维修具有重要意义。
四、裂缝的监测
1 裂缝的监测方法
常见的裂缝监测方法包括裂缝标记、裂缝计和数字图像相关技术等。选择合适的监测方 法对于了解裂缝变化趋势非常有帮助。
2 产生误差的原因
监测数据的准确性可能受到温度、湿度、光线等因素的影响，前期监测设备的不准确性 也可能影响监测数据的可信度。
3 监测数据的处理和分析
对于监测数据的处理和分析对于确定裂缝变化趋势和后续维修工作非常重要。可采用曲 线拟合等方法以曲线、数字等方式呈现监测数据。
二、裂缝的识别
1
表现形态
裂缝可能表现为直线型、环形、网状等形态，还可能出现错位位移、附近结构内部破坏、出 水等现象。
2
位置
裂缝出现的位置也具有重要意义。例如，在水平构件中间的裂缝可能是由于负重过大引起的， 需要重视。
3
密度和间距
岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法
岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法王述红;张雨浓;黄立夫;肖福坤【摘要】为研究工程岩体贯通破坏过程岩体裂纹起裂贯通机制,预制了以岩桥倾角为变量的红砂岩试块用单轴压缩的加载方式进行实验,并且通过数值模拟进行验证.首先总结了含单裂纹与单孔红砂岩岩石试块破坏的4种断裂模式,然后首次定义了塑性核心区半径、塑性延展区长度,并用它们表征单孔半径(或裂纹长度、倾角)与塑性破坏区域的大小,发现塑性破坏区的贯通与试块的贯通断裂具有很好的对应关系,最后提出通过作图判断岩石裂纹贯通断裂的判别方法.模拟结果验证了所提破坏模式判别方法的正确性,与类似物理实验结果具有一致性.%In order to study the crack initiation and coalescence of the failure process of rock mass, the uniaxial compression of red sandstone samples with various rock bridge angles was numerically performed. Four failure patterns of red sandstone samples with single crack and hole is firstly summarized,then the radius of the plastic core and plastic extension area are defined, the single span radius (or the crack length, angle) and the size of the plastic damage area are characterized. It is found that the coalescence of plastic failure zone is well consistent with the coalescence and fracture of samples. Finally, a graphic discrimination method is proposed to discriminate the fracture mode of rock mass. The experimental results verify the correctness of the method of the failure mode,which is consistent with the results of similar physical tests.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】5页(P705-709)【关键词】岩石力学;单轴压缩;贯通;断裂模式;判别方法【作者】王述红;张雨浓;黄立夫;肖福坤【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室,黑龙江哈尔滨 150027【正文语种】中文【中图分类】TU45针对含结构面岩体的破坏特性,国内外学者进行了大量的理论研究,得出了多种判别方法.常用的有Erdogan等提出的最大周向应力准则[1],Palaniswamy等提出的最大能量释放率准则[2]和Sih提出最小应变能准则[3].除此之外,还有赵均海等提出的基于双剪统一强度理论裂纹断裂准则[4],许斌等提出的双参数复合应力准则[5],但是这些理论多是以裂纹张拉破坏为前提而建立的,与工程岩体多数情况下处于多向受压的力学环境中的现况相违背.因此,许多学者研究了岩体在压缩荷载下的破坏特性,并建立了各种岩石压剪破坏准则[6-7].而在物理实验研究方面,实验材料包括类岩石材料与真实岩石材料两种,加载方式包括单轴压缩、双轴压缩、三轴压缩3种,预制缺陷包括单裂纹、多裂纹、单孔、双孔、双孔与单裂纹等[7-8].现有的判别方法中通过复杂公式及参数计算量大;通过软件建模、写语句,前后期处理麻烦,操作难度大,且对于裂纹、孔没有很好的统一适用性[9].针对以上问题,本文提出一种新的简单的判别方法,基于塑性破坏规律,采用作图判别的手段,适用性强,能够方便快速地判断破坏形态.1 贯通断裂模式分析本试验采用岩石材料——红砂岩岩块进行加工.试件的三维尺寸为:长(L)×宽(W)×高(H)=80 mm×30 mm×160 mm,采用高压水刀进行切割与预制裂纹、预制单孔.本试验中,预制裂纹长度l=15 mm,预制单孔半径r=6 mm;包含3个参数,分别为裂纹倾角α、岩桥倾角β、岩桥长度d(d>r).图1为试验结果,可以总结归纳出以下4种断裂模式,如图2所示.图1 不同裂纹倾角下试块断裂模式Fig.1 Failure modes of specimens under differentcrack angles破坏模式包括:单向贯通破坏、同点双向贯通破坏、异点双向贯通破坏、独立破坏4种破坏模式.图2 不同裂纹倾角下断裂模式Fig.2 Failure modes under different crack angles2 试块塑性破坏规律2.1 数值模型的建立参数按照真实情况赋值,见表1.表1 试验条件Table 1 Test conditions弹性模量GPa泊松比黏聚力MPa内摩擦角(°)抗拉强度MPa3.000.3613.6321.46模型共划分15 520个单元,17 930个节点.数值模拟的过程中,采用莫尔-库伦模型.模型的下边界施加法向位移约束,其他边界自由,试块顶面采用0.002 mm/步的速度加载.2.2 含单孔试块塑性破坏规律图3a～图3c为以往预制单孔红砂岩进行单轴压缩试验得到的试块破坏结果.图3d 为作者通过数值模拟得到的塑性区分布及破坏结果.可以看到,模拟结果单孔两端发生剪切破坏,与试验结果中的塌落破坏对应良好.模拟结果单孔周围存在“X”型的拉伸塑性区,裂纹为拉裂纹,产生在“X”型的塑性区的“/”笔部分.模拟试块的塑性区分布及破坏结果与试验所得实际破坏结果有很好的对应关系.图3 含单一圆孔试块断裂模式试验结果与模拟结果Fig.3 Failure modes of specimens(single hole)由图4可以看出,当孔径发生变化时,塑性区的形态仍保持“X”型,只是规模范围有所变化.图4 单孔直径2r与塑性区规模关系模拟结果Fig.4 Relationship between 2r and the plastic zone(a)—2r=10 mm； (b)—2r=15 mm；(c)—2r=20 mm；(d)—2r=25 mm.2.3 含单裂纹试块塑性破坏规律刘伟韬等[9]对预制45°单裂纹砂岩进行单轴压缩试验,得出如图5a所示的试块破坏结果,指出单轴压缩下裂纹的破坏模式为翼裂纹拉破坏模式与反翼裂纹剪破坏模式. 图5 含45°单裂纹试块断裂模式Fig.5 Failure modes of specimens(single crack,β=45°)(a)—试验结果； (b)—模拟结果.图5b为作者通过数值模拟得到的预制45°单裂纹塑性区分布及破坏结果,可以看到,模拟结果裂纹周围同样存在“X”型的拉伸塑性区, “X”型的塑性区的“/”笔部分与“\”笔部分与试验产生的反翼裂纹位置及形态均有很好的对应关系.如图6所示,为了方便分析,将单孔、单裂纹周围存在的“X”型塑性区划分为:y1(翼裂纹塑性区1)、y2(翼裂纹塑性区2)、f1(反翼裂纹塑性区1)、f2(反翼裂纹塑性区2).图6 含不同倾角单裂纹试块断裂模式模拟结果Fig.6 Failure modes ofspecimens under differentcrack angles(a)—α=0°； (b)—α=30° ；(c)—α=60°.当裂纹倾角发生变化时,塑性区的规模范围、优势区域有所变化:当裂纹倾角α=0°时,y1,y2与f1,f2区域大小相当,区域优势相当;当0°<α<45°时,y1,y2比f1,f2区域大小更占优势;α>45°时,f1,f2比y1,y2区域大小更占优势;单孔y1,y2与f1,f2区域大小相当,优势相当.2.4 含单裂纹与单孔试块塑性破坏规律图7为物理试验结果与数值模拟结果的对比,可以发现:塑性破坏的贯通断裂模式与试块的贯通断裂模式有很好的一致性.如图4所示,预制单孔直径用2r表示,y1,y2,f1,f2 4个区域对称分布,形态相似.定义预制单孔圆心到y1,f1区域交界处的圆形区域为塑性核心区,塑性核心区半径用R 表示;定义预制单孔圆心到塑性区边缘的远端距离为塑性延展长度,用l表示;定义塑性延展长度l与塑性核心区半径R的比值为塑性区延展系数,用k表示.预制裂纹周围的参数定义与此一致.图7 不同裂纹倾角下试块断裂模式Fig.7 Failure modes of specimens under differentcrack angles(a)—α=0°； (b)—α=30°； (c)—α=45°(d)—α=60°；(e)—α=90°.由图8可以看出,塑性核心区半径R与预制单孔直径2r存在良好的线性关系,且塑性核心区半径R随着预制单孔直径2r的递增而递增;塑性延展长度l与预制单孔直径2r存在良好的线性关系,且塑性延展长度l随着预制单孔直径2r的递增而递增. 对于预制单孔直径2r=25 mm,塑性核心区半径R的长度已经接近试块宽度,由图7可以看出塑性区分布已经不是单纯的“X”型分布,试块的边缘也产生了塑性区,不满足“X”型塑性区分布.图8 单孔直径2r与塑性核心区半径R、塑性延展长度l间关系Fig.8 Relationshipbetween 2r and R，l对于满足分布的点进行拟合,得到：l=4r+19.93(R2=0.984) ,(1)R=1.88r+5.43(R2=0.984) .(2)同理,对不同裂纹倾角的试块进行模拟,得到的塑性延展系数如图9所示.结合边缘塑性区效应判断,总结出:当预制圆孔直径2r、预制裂纹长度的余弦值Dcosβ,在7.5～21.7(15cos60°～25cos30°,与试块宽比为9.38%～26.25%)之间,k在2.5～2.9之间,此时满足“X”型塑性区分布规律.图9 单孔直径2r与塑性延展系数k间关系Fig.9 Relationship between 2r and k 将不同裂纹倾角、裂纹长度下的数据进行拟合,见图10.其中圆点为数据点,折线为拟合曲线,得到式(3)中的函数关系式.此关系式形式简单,并可表征塑性核心区半径R 与裂纹倾角β、预制裂纹长度D间关系：R=3.056cos(3.566β+1.312)+0.804D+2.732(R2=0.927) .(3)图10 塑性核心区半径R与裂纹倾角α、预制裂纹长度D间关系拟合曲线Fig.10 Fitting curves between R and α,D3 岩石贯通断裂判别方法3.1 判别是否适用对于单孔,由预制单孔圆心分别向物理边界短边L、长边H作垂线若满足h1≥2h2,9.38%≤2r/2h2≤26.25%,则符适用于本判别方法;对于裂纹,预制裂纹中点分别向物理边界短边L、长边H作垂线若满足h1≥2h2,9.38%≤Dcosβ/2h2≤26.25%,则适用于本判别方法.3.2 塑性区的画法如图11所示,首先,根据塑性区核心半径R画出单孔(裂纹)周围的塑性核心区;然后,以单孔圆心(裂纹中点)作水平方向的基准线,根据塑性延展长度l、塑性延展区域延展角度71°(模拟结果多为70°～72°)作4条线;最后,以单孔水平方向象限点(裂纹端点)作4条线将塑性延展区封闭.图11 塑性区画法示意图Fig.11 Method of drawing plastic zones3.3 岩石贯通断裂判别方法单孔(裂纹)周围存在一个塑性核心区,4个塑性延展区(y1,y2,f1,f2),在前文基础上,结合图12得出以下几条判别准则:判别准则一:单孔(裂纹)与单孔(裂纹)只有塑性区相交才会发生有联系的破坏,且占优势的区域相交比不占优势的区域相交更易发生破坏.判别准则二:当塑性延展区的优势相当时,离对方塑性核心区中点近的塑性延展区占优势;当距离对方塑性核心区中点距离相当时,认为离塑性核心区中点远的塑性延展区占优势.图12 不同裂纹倾角下塑性区分布Fig.12 Plastic zone distribution under different α判别准则三:单孔(裂纹)与单孔(裂纹)彼此至少有一个塑性延展区宽度范围完全进入(或接近完全进入)对方的塑性核心区,才会发生贯通破坏.单孔(裂纹)与单孔(裂纹)的塑性延展区均不在对方塑性核心区中点两侧且塑性核心区相交(接近相交)时,发生单向贯通破坏;单孔(裂纹)与单孔(裂纹)的塑性延展区均在对方塑性核心区中点两侧且塑性核心区相交(接近相交)时,离塑性核心区中点近的塑性延展区占优势时,发生同点双向贯通破坏;单孔(裂纹)与单孔(裂纹)的塑性延展区均在对方塑性核心区中点两侧且塑性核心区相交(接近相交)时,离塑性核心区中点远的塑性延展区占优势时,发生异点双向贯通破坏.判别准则四:单孔(裂纹)与单孔(裂纹)的塑性区处于接近相交等临界状态时,破坏形态处于两种破坏类型的过渡类型;单孔(裂纹)与单孔(裂纹)的塑性区不相交时,发生独立破坏.判别准则五:裂纹倾角为90°时,裂纹周围不存在塑性区.判别准则六:本判别准则适用于砂岩且未达峰值强度前的破坏特征分析.文献[9]实验结果表明本文所提供的4种贯通破坏模式、贯通破坏判别方法具有一定的合理性与适用性.4 结论1) 含单裂纹与单孔红砂岩岩石试块破坏具有独立破坏模式、单向贯通破坏模式、同点双向贯通破坏模式及异点双向贯通模式.2) 塑性破坏区的贯通与实际的贯通断裂有很好的对应关系,基于此提出的判别方法能快速、准确地判别岩石的贯通断裂模式.3) 本文的判别方法,在各种岩石的适用性、尺寸效应方面有待进一步研究;未来研究考虑通过编程实现,并加入力学参数的修正.参考文献：[1] Erdogan F,Sin G C.On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear[J].Journal of Basic Engineering,1963,85:519-527. [2] Palaniswany K,Knauss E G.Propagation of a crack general in-plane tension[J].International Journal of Fracture Mechanics,1972,8(1):114-117. [3] Sih G C.Some basic problems in fracture mechanics and new concepts[J].Engineering Fracture Mechanics,1973,5(2):365-377.[4] 赵均海,魏雪英.双剪统一强度理论下复合裂纹的研究[J].长安大学学报(自然科学版),2005,25(3):58-61.(Zhao Jun-hai,Wei Xue-ying.Investigation of mixed mode crack based on twin shear unified strength theory[J].Journal of Chang’anUniversity(Natural Science Edition),2005,25(3):58-61.)[5] 许斌,江见鲸.混凝土 I-II 复合型断裂判据研究[J].工程力学,1995,12(2):13-21. (Xu Bin,Jiang Jian-jing.Study of I-II mixed-mode fracture criteria for concrete[J].Engineering Mechanics,1995,12(2):13-21.)[6] Cheng C,Chen X,Zhang S F.Multi-peak deformation behavior of jointed rock mass under uniaxial compression:insight from particle flow modeling[J].Engineering Geology,2016,213:25-45.[7] Zhou Y,Wu S C,Gao Y T,et al.Macro and meso analysis of jointed rock mass triaxial compression test by using equivalent rockmass(ERM)technique[J].Journal of Central South University,2014,21(3)：1125-1135.[8] Mohammad R Z,Ahmad F.Analytical solutions for the stresses and deformations of deep tunnels in an elastic-brittle-plastic rock mass considering the damaged zone[J].Tunneling and Underground Space Technology in Corporating Trenchless Technology Research,2016,58：186-196.[9] 刘伟韬,申建军.含单裂纹真实岩石试块断裂模式的力学试验研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(6):1182-1189.(Liu Tao-wei,Shen Jian-jun.Experimental study of propagation mode of crack in real rock specimens with a single crack [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(6):1182-1189.)。
裂缝的识别
裂缝的识别裂缝的识别裂缝是指岩石的断裂，即岩石中因失去岩石内聚力而发生的各种破裂或断裂面，但岩石通常是那些两个未表现出相对移动的断裂面。
其成因归纳为：（1）形成褶皱和断层的构造作用；（2）通过岩层弱面形成的反差作用；（3）页岩和泥质砂岩由于失水引起的体积收缩；（4）火成岩在温度变化时的收缩。
从FMI图像上，我们可以总结出裂缝的类型：（1）高角度缝：裂缝面与井轴的夹角为0~15度；（2）低角度缝：裂缝面与井轴的夹角为70~90度；（3）斜交缝：裂缝面与井轴的夹角为15~70度。
在某些特定的地区，我们可以从FMI图像上观察出网状缝，弥合缝和一些小断层。
第一节地层真假裂缝的识别方法在微电阻率扫描成像测井图FMI上，与裂缝相似的地质事件有许多，但它们与裂缝有本质的区别。
一、层界面与裂缝前者常常表现为一组相互平行或接近平行的高电导率异常，且异常宽度窄而均匀；但裂缝由于总是与构造运动和溶蚀相伴生，因而高电导率异常一般既不平行，又不规则。
二、缝合线与裂缝缝合线是压溶作用的结果，因而一般平行于层界面，但两侧有近垂直的细微的高电导率异常，通常它们不具有渗透性。
裂缝主要受构造运动压溶作用的影响，因此与缝合线的形状不一样，并且与裂缝也不相关。
三、断层面与裂缝断层面处总是有地层的错动，使裂缝易于鉴别。
四、泥质条带与裂缝泥质条带的高电导率异常一般平行于层面且较规则，仅当构造运动强烈而发生柔性变形才出现剧烈弯曲，但宽窄变化仍不会很大；而裂缝则不然，其中总常有溶蚀孔洞串在一起，使电导率异常宽窄变化较大。
五、黄铁矿条带与裂缝黄铁矿条带成像测井特征与泥质条带的特征混相似，但其密度明显增大，可作为鉴别特征。
总之，如图3—1所示，除断层面以外，其他地质现象基本平行于层理面，而裂缝的产状各异。
无论怎样弯曲变形，相似的这些地质现象的导电截面的宽度却相对稳定，相反裂缝的宽度通常因岩溶与充填作用变化较大。
第二节地层中天然裂缝和诱导裂缝的鉴别方法要鉴别天然裂缝和诱导裂缝，就须搞清诱导缝产生的机理和相应的特征。
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地质现象错综复杂？做成动图后就变得清晰易懂！「矿物⽇历（2019-2020·跨年版）」点击图⽚直接购买01冰劈作⽤⽔渗⼊基岩裂缝，⽓温下降，裂缝中的⽔结冰。
⽔变成冰，体积增⼤，对周围岩⽯产⽣⼒的作⽤，裂缝扩张，最终岩⽯破成碎⽚。
整个过程缓慢⽽漫长。
02冰川剥蚀冰川顺着⼭⾕向下运动时，会磨碎并带⾛下部基岩中的碎⽚。
冰川消融后，保留在原地的松散沉积物称为冰碛物。
冰碛物由巨砾、砾⽯、砂以及细⼩颗粒，分选很差。
03沉积物的搬运沉积物形成之后，通过⽔、风和冰川等被转移出母岩区。
图⽰为⽔流的搬运作⽤。
⽔流能量越⼤，携带的⽯块越⼤。
粉砂、粘⼟等⼩颗粒⼏乎⽆法触底，只能漂在⽔中（悬浮搬运）。
当河流流速降低之后，⽆法搬运⼤的⽯块。
⼤⽯块滞留河底，砂、粉砂等继续被搬运。
图⽰的两个颗粒为长⽯（粉⾊）和⽯英（⽩⾊）。
⽯英抵抗机械风化的能⼒很强。
持续搬运使得⽯英颗粒磨圆度增加。
长⽯的抵抗机械分化能⼒较弱，随着搬运距离的增加，逐渐被分解殆尽。
04沉积层理被搬运很远的⼩颗粒会在湖底或者海底沉积下来。
不同时间沉积到海底的物质颗粒的粒径和种类各不相同。
最终形成的层状分布结构——沉积层理。
交错层理三⾓洲中常见交错层理。
三⾓洲是在河流⼊海或者⼊湖的地⽅形成。
河流携带的砂粒沿着河⼝的斜坡呈倾斜层状沉积，随着砂体沉积的增加，斜坡向外⽣长。
这些沉积物成为前积物。
海平⾯升⾼，新的河⼝会向陆地⽅向后退，新的三⾓洲形成于⽼的三⾓洲之上。
图⽰圆圈就是两者界限，就可以看见交错层理。
06三种应⼒作⽤于地壳的应⼒分为三种：压⼒、拉⼒和剪⼒。
地壳上部会形成断层，压⼒形成逆冲断层，伸展形成正断层，剪切形成⾛滑断层。
地壳下部发⽣韧性变形，压⼒使地壳形成褶皱，拉⼒使地壳变薄延长，剪⼒是地壳变形，形成剪切带。
07节理的形成岩⽯标本受应⼒作⽤，依次发⽣弹性变形，塑性变形和破裂。
多数情况下，岩⽯会沿着两个⽅向发⽣破裂，形成的构造称为节理，⾓度约为60°。
岩体强度破坏判断准则
第七讲：岩体强度破坏判断准则
目前，人们根据岩石的不同破坏 机理，已经建立了多种强度判据。强度理 论是指人们认为在某种应力或组合应力的 作用下，岩石就会破坏，从而建立了相应 的判据。
一点的应力表示方法
三维应力状态
z
zx
二维应力状态 zx
x
xy y yz
z
x
xz
ij=
c t
3
第2章 岩石的物理力学性质
优点 ①同时考虑了拉剪和压剪应力状态；可判断 破坏面的方向。
②强度曲线向压区开放，说明 c t 与岩
石力学性质符合。 ③强度曲线倾斜向上说明抗剪强度与压应力 成正比。 ④受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石 破坏；受压区开放，说明三向等压应力不破 坏。 缺点 忽略了中间主应力的影响（中间主应力对强 度影响在15%左右）。
6C cos 3(3 sin)
当
6
时，受压破坏：
2sin , k
3(3 sin)
6C cos 3(3 sin)
当顶式对 微分，并使之为零，此时F取极小
sin , k 3C cos
3 3 sin2
3 sin2
Drucker-Prager
1 3
1 2 2 2 3 2 3 1 2
最大应变能理论
第2章 岩石的物理力学性质
屈服条件的研究历史
Coulumb (1773)
– 把土及岩石看成摩擦材料。
f c n tan
Tresca (1864)
– 作了一系列的挤压实验，发现金属材料在屈
地质剖面图的判读方法
地质剖面图的判读方法考点详解地质剖面图是对某一地质构造所作的垂直剖面图，包括地质地貌示意图、地貌景观和地质剖面图、褶皱和断层构造示意图等。
判读内容主要是根据地质剖面图判断地球内部的圈层构造、背斜和向斜的形态特征、地层形态及发展演变等，或分析并判断该地区的岩石类型及其矿产分布状况等。
地质剖面图的判读方法1.判断岩层新老关系(1) 沉积岩岩层的新老关系判断①根据岩层层序判断(下层较老，上层较新);②根据生物化石判断(如图1中岩石由老到新为三叶虫化石、恐龙化石、大型哺乳动物化石)。
(2) 其他岩层新老关系判断根据侵入岩侵入的岩层来判断(侵入岩形成晚于其所切穿的岩层，如图2中花岗岩形成晚于沉积岩Ⅰ)2.判断地质构造(1) 岩层连续且弯曲为褶皱。
(2) 岩层向上拱起为背斜，向下弯曲为向斜。
(3) 岩层中间老、两翼新为背斜，岩层中间新、两翼老为向斜。
(4) 岩层不连续且有明显位移为断层。
3.判断地表运动状况(1) 根据岩层上下关系若岩层呈水平状态，并且从下到上依次由老到新连续排列，说明在相应地质年代里，地壳稳定，地理环境没有发生明显变化。
(2) 根据岩层的弯曲若岩层出现弯曲、倾斜甚至颠倒，说明岩层形成后，因地壳水平运动使岩层发生褶皱运动。
如图3中乙处岩层弯曲说明受到了水平挤压作用。
(3) 根据岩层的缺失若岩层出现缺失，可能是缺失岩层所代表的时代地壳发生隆起，使当地的地势抬高，终止了沉积过程，或者原沉积物被剥蚀完毕，也可能是当时当地气候变化，没有了沉积物来源。
(4) 根据侵蚀面若上下两岩层之间有明显的侵蚀面存在，说明下部岩层形成后，遭受到外力侵蚀。
若侵蚀面上覆盖新的岩层，是因为之后该地又经历了沉积作用。
如图2甲处上部岩层不完整说明经历了侵蚀作用，沉积岩Ⅰ的覆盖说明又经历了沉积作用。
(5) 根据侵入岩若地层中有侵入岩存在，说明围岩形成之后又发生了岩浆活动，岩浆活动晚于围岩形成时代。
如图2中花岗岩的存在说明经历了岩浆侵入4.判断地貌类型根据地势起伏并结合地质构造，判断地貌类型，如背斜山、向斜谷、背斜谷、向斜山(如图3中丙)、断块山、陡崖等。
(完整word版)岩土野外鉴别方法
岩石坚硬程度等级的定性分类坚硬程度等级定性判断坚硬岩锤击声宏亮，有回弹，震手，难击碎，根本无吸水反响硬质岩锤击声较宏亮，有稍微回弹，较硬岩稍震手，较难击碎，有稍微吸水反响较软岩锤击声不宏亮，无回弹，较易击碎，浸水后指甲可刻出印痕软质岩极软岩锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎，浸水后手可掰开锤击声哑，无回弹，有较深凹极软岩痕，手可捏碎，浸水后手可捏成团代表性岩石未风化～细风化的花岩、闪才岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英岩、石英砂岩、硅质砾岩、硅质石灰岩等1、细风化的坚硬岩2、未风化～细风化的大理岩、板岩、石灰岩、白云岩、钙质砂岩等1、中等风化～强风化的硬质岩2、未风化～细风化的凝灰岩、千板岩、泥灰岩、砂质泥岩等1、强风化的硬质岩2、中等风化～强风化的较软岩3、未风化～细风化的页岩、泥岩、泥质砂岩等1、全风化的各种岩石2、各种半成岩岩石按风化程度分类岩石种类风化程度野外特色未风化岩质新鲜，未见风化印迹细风化组织构造根本未变，仅节理面有铁锰质衬着或矿物略有变色，有少量风化裂隙组织构造局部破坏，矿物成分根本未变化，仅节理面出现次生矿物，风化裂隙发育〔裂隙中有少量充填物〕，岩体被切割成 20～中等风化50cm 的岩块〔碎块〕，锤击声脆，且手锤不易击碎，不能够用镐挖掘，岩芯钻方可钻进〔岩体层理清楚，岩芯分裂，但可拼成圆柱硬质岩石状〕组织构造已全局部破坏，矿物成分已明显变化，长石、云母已风化成次生矿物，裂隙很发育，岩体破碎，岩体被切割成2～20cm 强风化的岩块，可用手折断，一般难以用手捏碎，遇水也不会消融或崩解，用镐可挖掘，干钻不易钻进〔锤击空壳声，岩芯破碎，不能够拼成圆柱状〕组织构造已根本破坏，但尚可鉴别，而且有稍微的节余构造强度，全风化岩块可用手捏碎，碎后呈散土夹砂砾状或粘性土，浸水易崩解，可用镐挖，干钻可钻进组织构造已全部破坏，矿物成分除石英外，全局部已风化成土，残积土碎锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性未风化岩质新鲜，未见风化印迹组织构造根本未变，仅节理面有铁锰质衬着或矿物略有变色，有细风化少量风化裂隙〔裂隙中有风化物质填充〕锤击沿片理或页理裂开，岩芯分裂，但可拼成圆柱状组织构造局部破坏，矿物成发散生变化，节理面周边的矿物已风化成土状，风化裂隙发育，岩体被切割成 20～50cm的岩块，锤击中等风化易碎，用镐难挖掘，岩芯钻方可钻进〔碎块用手可折断，岩芯破软质岩石碎，不能够拼成圆柱状〕组织构造已全局部破坏，矿物成分已明显变化，含大量粘土质粘土矿物，风化裂隙很发育，岩体破碎，岩体被切割成碎块，干时强风化可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地消融或崩解，用镐或锹可挖掘，干钻可钻进〔岩芯呈碎屑状〕组织构造已根本破坏，但尚可鉴别而且有稍微的节余构造强度，全风化岩体呈泥状，用手可捏碎，可用镐挖，干钻可钻进组织构造已全部破坏，矿物成分已全部改变并已风化成土状，锹残积土镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性注： 1、花岩岩强风化： N≥50；全风化： 50＞N≥ 3；残积土： N＜ 302、泥岩和半成岩，可不进行风化程度划分3、风化岩和残积土的性质：消融性、不均匀性、固结物性、膨胀性、湿陷性4、硬质岩石耐风化能力强，裸露后一、二年尚不易风化5、软质岩石耐风化能力弱，裸露多天至数月即出现风化壳土按有机质含量分类分类名称有机质含量现场鉴别特色Wu〔%〕无机土Wu＜ 30有机质土5≤Wu≤10深灰色，有光彩，味自臭，除腐殖质外的含少量未完满分解的动植物体，浸水后水面出现气泡，无聊后体积缩短泥炭质土10＜ Wu≤60深灰或黑色，有腥臭味，能看到未完满分解的植物构造，浸水体胀，易崩解，有植物残渣浮于水中，干缩现象明显泥炭Wu＞ 60除有泥炭质土牲物征外，构造松弛，土质很轻，暗无光彩，干缩现象极为明显粘性土、粉土按塑性指数的分类及野外鉴别分类鉴别方法粘土粉质粘土粉土砂土Ip＞ 1710＜Ip≤ 17Ip≤ 10切面特别圆滑，刀刃稍有圆滑面，切无圆滑面，切面无圆滑面，湿润时用刀切有粘腻的阻力，切面面规那么、平展比较粗糙切面粗糙特别规那么湿土用手捻摸有圆滑仔细捻摸感觉感觉有细颗粒无粘滞感，用手捻摸时感觉感，当水分较大时极到少量细颗粒，存在或感觉粗感觉到全部是易粘手，感觉不到有稍有圆滑感，有糙，有稍微粘滞砂粒，粗焅颗粒有存在粘滞感感或无粘滞感湿土极易粘着物体能粘着物体，干一般不粘着物不能够粘着物粘着程度〔包括金属与玻璃〕，燥后较易剥掉体，无聊后一碰体无聊后不易剥致去，就掉用水屡次洗才能去掉能搓成小于 0.5mm 的能搓成～ 2mm 能搓成 2～ 3mm 无塑性，不湿土搓条情况土条〔长度不短于手的土条，手持一的土条，但简单能搓成土条掌〕，手持一端不致断端可能会断裂断裂，土条很短裂强度很大，坚硬，类强度较粘，手锤强度很差，一碰松弛似陶器碎片，用力锤易击碎，成很多即碎，用手很易击方可打碎，不易击小块，可能有粉捏碎，成粉状，干土性质成粉未，用手不易折未出现，稍有棱土块用力捏或碎，其断口有棱角，角，用手难捏抛扔时易碎尖锐刺手碎，土块用力可压碎注： 1、塑性指数 Ip=W L -Wp2、粉土工程性质介于粘性土和砂土之间，假设用含水量凑近饱和的粉土，团成小球放在手掌上左右屡次摇晃，并以另一手震击，那么土中水迅速溢出土面人工填土、淤泥质土、腐植土的鉴别方法鉴别方法人工填土淤泥质土腐植土〔泥炭〕颜色灰黑色灰黑色深灰或黑色夹杂物质砖瓦碎片，垃圾炉灰池沼中半腐败的微小的动半腐败的动植物遗体等植物遗体，如草根、小螺壳或其余的污染物质〔粪等便〕形状〔构造〕夹杂物质展现于外，夹杂物质经仔细观察能够夹杂物质有时可见，构构造无规律觉察，构造常呈层状，但有造无规律时不明显浸入水中情况浸水后全局部物质变浸水后外观无明显，在水面浸水后全局部物质变为稀软的污泥，其余出现气泡为稀软的污泥，其余部局部那么为砖瓦、炉灰分为植物、动物残体渣渣在水中单独出现滓悬浮于水中湿土搓条情况一般情况下能搓成一淤泥质土凑近中轻砂质一般情况下能搓成 1～3mm 的土条，但简单粘土，故能搓成 3mm 的土3mm的土条，但当动植断裂，遇有灰砖杂质条〔长度最少 3cm〕简单断物残渣甚多时，仅能搓甚多时，即不能够搓条裂成 3mm以上的土条无聊后的强度无聊后局部杂质脱一般淤泥质土无聊后体积无聊大量缩短，局部杂落，故无定形，稍微明显缩短，强度不大，锤击质零散故有时无定形施加压力即行破碎时呈粉未，用手指能捻散粘性土和粉土的稠度鉴别方法稿度状态鉴别特色、方法坚硬人工小钻钻探时很费力，几乎钻不进去，钻头取出的土样用手捏不动，加力不能够使土变形，只能碎裂硬塑人工小钻钻探时较费力，钻头取出的土样用手指捏时，要用较大的力才能变形并碎散可塑钻头取出的土样，手指派劲不大就能按入土中，土可捏成各种状软塑能够把土捏成各种形状，手指按入土中绝不费力，钻头取出的土样还能够成形流塑钻进很简单，钻头不易取出土样，取出的土已不能够成形，放在手中也不易成块形粘性土的湿润程度鉴别方法湿润程度鉴别方法稍湿经过振动的土不易捏成团，易碎成粉沫，放在手中不湿手，但感觉凉，而且感觉是湿土很湿经过振动的土能捏成各种形状，放在手中会湿手，在土面上滴水能慢慢浸透土中饱和滴水不能够浸透土中，能够看到孔隙中的水发亮土的主要成因种类的判断标准成因种类积聚方式及条件积聚物特色岩石经风化作用而残留碎屑物从地表向深处由细变粗，其成分与母岩相残积在原地的碎屑积聚物〔未关，一般不具层理，碎块呈棱角状，土质不均，被搬运走的那一局部原拥有较大孔隙，厚度在山丘顶部较薄，低洼处较岩风化产物〕厚风化碎屑物由雨水或融碎屑物从坡上往下逐渐变细，分选性差，层理不坡积和崩积雪水沿斜坡搬运及由本明显，厚度变化较大，厚度在斜坡较陡处较薄，身的重力作用积聚在斜坡脚地段较厚〔随斜坡自上而下表现由粗变细的坡上或坡脚处而成现象，矿物成分与下卧基岩没有直接关系〕由暂时性大水将山区或颗粒拥有必然的分选性，但经常大小混杂，碎屑高地的大量风化碎屑物多呈亚棱角状，洪积扇顶部颗粒较粗，层理凌乱洪积携带至沟口或和缓地带呈交叉状，透镜状及夹层很多，边缘处颗粒细，积聚而成层理清楚〔离山较近颗粒较粗，离山较较远颗粒较细，不规那么交叉层理构造，如具夹层、尖灭或透镜体等〕由长远的地表水流搬运，颗粒在河流上游较粗，向下游逐渐变细，分选性冲积在在河流阶地冲积平原，及磨圆度均好，层理清楚，除牛轭湖及某些河床三角洲地带积聚而成相积聚外厚度较牢固在静水或缓慢的流水环颗粒以粉粒、粘粒为主，且含有必然数量的有机淤积境中积聚，并伴有生物化质或盐类，一般土质柔嫩，有时为淤泥质粘性土、学作用而成粉土与粉砂互层，具清楚的薄层理砂土的野外鉴别鉴别特色砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒粗细约有 1/4 以约有一半以约有一半以上全局部颗粒与全局部颗粒上颗粒比高上颗粒比高颗粒与砂糖或粗玉米粉〔＞与小米粉〔＜梁粒〔2mm〕小米白菜粒籽〔＞〕近似〕近似大〔〕大〕近似〔较精制食盐〔较精制食稍粗〕盐稍细〕无聊时状态颗粒完满分颗粒完满分颗粒根本分别，颗粒全局部分颗粒少局部散散，个别胶结局部胶结，胶结散，少量胶结，分别，全局部〔一碰即散〕局部一碰即散胶结局部略加胶结〔略加压碰撞即散即能分别〕湿润时用手表面无变化表面无变化表面偶有水印表面有水印表面有明显拍后的状态〔翻浆〕翻浆现象粘着程度无粘着感无粘着感无粘着感偶有稍微粘着有稍微粘着感感。
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第39卷第5期2018年5月东北大学学报（自然科学版）Journal o f Northeastern U niversity(Natural Science)V o l.39 ,No.5May20 18doi：10. 12068/j.issn. 1005 -3026.2018.05.020岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法王述红'，张雨浓'，黄立夫'，肖福坤2(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819; 2.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江哈尔滨150027)摘 要：为研究工程岩体贯通破坏过程岩体裂纹起裂贯通机制，预制了以岩桥倾角为变量的红砂岩试块 用单轴压缩的加载方式进行实验，并且通过数值模拟进行验证.首先总结了含单裂纹与单孔红砂岩岩石试块 破坏的4种断裂模式，然后首次定义了塑性核心区半径、塑性延展区长度，并用它们表征单孔半径（或裂纹长 度、倾角）与塑性破坏区域的大小，发现塑性破坏区的贯通与试块的贯通断裂具有很好的对应关系，最后提出 通过作图判断岩石裂纹贯通断裂的判别方法.模拟结果验证了所提破坏模式判别方法的正确性，与类似物理 实验结果具有一致性.关键词：岩石力学;单轴压缩;贯通;断裂模式;判别方法中图分类号：TU 45 文献标志码：A文章编号：1005 -3026(2018)05 -0705 -05Graphic Discrimination Method of Coalescence and Failure Mode in Rock Mass with Hole and CrackW A N G S h u-h o n g'，Z H A N G Y u-n〇n g'，H U A N G L i-f u'，X IA O F u-k u n1(1.School of Resource&Civil Engineering，N ortheastern University，Shenyang110819，China； 2.H eilongjiangG round Pressure and Gas Control in Deep M ining Key Laboratory，H eilongjiang University of Science an dTechnology，H arbin150027，China.Corresponding author：WANG Shu-hong，professor，E-mail：wangshuhong@ )Abstract ：In order to study the crack initiation and coalescence o f the failure process o f rock mass,the uniaxial compression o f red sandstone samples w ith various rock bridge angles was numerically performed.Four failure patterns o f red sandstone samples w ith single crack and hole is firstly summarized，then the radius o f the plastic core and plastic extension area are defined，the single span radius(or the crack length，angle)and the size o f the plastic damage area are characterized.It is found that the coalescence o f plastic failure zone is well consistent w ith the coalescence and fracture o f samples.F in a lly，a graphic discrim ination method is proposed to discriminate the fracture mode o f rock mass.The experimental results verify the correctness o f the method o f the failure mode，which is consistent w ith the results o f sim ilar physical tests.Key words：rock mechanics；uniaxial compression；coalescence；fracture mode；discrim ination method针对含结构面岩体的破坏特性，国内外学者 进行了大量的理论研究,得出了多种判别方法.常 用的有Erdogan等提出的最大周向应力准则[1]，Palaniswamy等提出的最大能量释放率准则[2]和 S ih提出最小应变能准则[3].除此之外，还有赵均海等提出的基于双剪统一强度理论裂纹断裂准 则[4]，许斌等提出的双参数复合应力准则[5]，但 是这些理论多是以裂纹张拉破坏为前提而建立 的，与工程岩体多数情况下处于多向受压的力学 环境中的现况相违背.因此，许多学者研究了岩体收稿日期：2016-10-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（51474050,U1602232)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（N17010829)；辽宁 省自然科学基金资助项目（20170540304,20170520341)；硅酸盐建筑材料国家重点实验室（武汉理工大学）开放基金资助项目（SYSJJ2017 -08)；中建股份科技研发课题（CSCEC -2016 - Z -20 -8).作者简介：王述红（1969 -),男，江苏泰州人,东北大学教授，博士生导师.706东北大学学报（自然科学版)第39卷在压缩荷载下的破坏特性，并建立了各种岩石压剪破坏准则[6^].而在物理实验研究方面，实验材 料包括类岩石材料与真实岩石材料两种，加载方 式包括单轴压缩、双轴压缩、三轴压缩3种，预制 缺陷包括单裂纹、多裂纹、单孔、双孔、双孔与单裂 纹等[7—8].现有的判别方法中通过复杂公式及参数计算量大;通过软件建模、写语句，前后期处理 麻烦，操作难度大，且对于裂纹、孔没有很好的统 一适用性[9].针对以上问题，本文提出一种新的简单的判别方法，基于塑性破坏规律，采用作图判别的手段，适用性强，能够方便快速地判断破坏形态.1贯通断裂模式分析本试验采用岩石材料——红砂岩岩块进行加 工.试件的三维尺寸为:长（L)x宽（W)x高（H) =80 mm x30 mm x 160 mm，采用高压水刀进行切割与预制裂纹、预制单孔.本试验中，预制裂纹 长度/= 15 mm，预制单孔半径r= 6mm;包含3个 参数，分别为裂纹倾角a、岩桥倾角yS、岩桥长度d(d> r).图1为试验结果，可以总结归纳出以下4种 断裂模式，如图2所示.图1不同裂纹倾角下试块断裂模式Fig.1Failure modes of specimens under different crack angles破坏模式包括:单向贯通破坏、同点双向贯通 破坏、异点双向贯通破坏、独立破坏4种破坏模式.图2不同裂纹倾角下断裂模式Fig.2 Failure modes under different crack angles 2试块塑性破坏规律2.1数值模型的建立参数按照真实情况赋值，见表1.表1试验条件Table1Test conditions弹性黏聚力MPa内摩抗拉模量泊松比擦角强度GPa(°)MPa3.000.3613.632 1.46模型共划分15 520个单元，17 930个节点.数 值模拟的过程中，采用莫尔-库伦模型.模型的下边界施加法向位移约束，其他边界自由，试块顶面 采用0.002mm/步的速度加载.2.2含单孔试块塑性破坏规律图3a〜图3c为以往预制单孔红砂岩进行单 轴压缩试验得到的试块破坏结果.图3d为作者通 过数值模拟得到的塑性区分布及破坏结果.可以看到，模拟结果单孔两端发生剪切破坏，与试验结 果中的塌落破坏对应良好.模拟结果单孔周围存在“X”型的拉伸塑性区，裂纹为拉裂纹，产生在“X”型的塑性区的“/”笔部分.模拟试块的塑性区分布及破坏结果与试验所得实际破坏结果有很 好的对应关系.图3含单一圆孔试块断裂模式试验结果与模拟结果 Fig.3 Failure modes of specimens(single hole)由图4可以看出，当孔径发生变化时，塑性区的形态仍保持“X”型，只是规模范围有所变化.图4单孔直径2r与塑性区规模关系模拟结果 Fig.4 Relationship between2 r and the plastic zone(a)—2r= 10 m m；(b)—2r= 15 m m；(c)—2r= 20 m m；(d)—2r= 25 mm.第5期王述红等：岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法7072.3含单裂纹试块塑性破坏规律刘伟韬等[9]对预制45°单裂纹砂岩进行单轴 压缩试验，得出如图5a所示的试块破坏结果，指 出单轴压缩下裂纹的破坏模式为翼裂纹拉破坏模 式与反翼裂纹剪破坏模式.图5含45°单裂纹试块断裂模式Fig.5 Failure modes of specimens(single crack,P=45°)(a)一试验结果；（b)—模拟结果.图5b为作者通过数值模拟得到的预制45° 单裂纹塑性区分布及破坏结果，可以看到，模拟结 果裂纹周围同样存在“X”型的拉伸塑性区，“X”型的塑性区的“/”笔部分与“\”笔部分与试验产 生的反翼裂纹位置及形态均有很好的对应关系.如图6所示，为了方便分析，将单孔、单裂纹 周围存在的“X”型塑性区划分为:(翼裂纹塑性区1)、於（翼裂纹塑性区2)、/1(反翼裂纹塑性区1)、/2(反翼裂纹塑性区2).图6含不同倾角单裂纹试块断裂模式模拟结果 Fig.6Failure modes of specimens under different crack angles(a)—a=0。
；（b)—a=30。
；（c)—a=60°.当裂纹倾角发生变化时，塑性区的规模范围、优势区域有所变化：当裂纹倾角a =0。