水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

第17卷第4期2017年2月1671 — 1815(2017)04-0092-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 17 No.4 Feb.2017©2017 Sci.Tech.Engrg.建筑科学水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究曹加兴M朱珍德M田源1>2赵晨羽1>2董晓庆3(河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室1,南京210098 ;江苏省岩土工程技术工程研究中心，河海大学2,南京210098 ;南京市测绘勘察研究院有限公司3,南京210019)摘要坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在，真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。

自行研制了 一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料，内部预制张开型裂隙组，通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试 验。

详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在滲透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制；研究了裂隙组 倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。

试验表明：水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明 显不同，水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用，对包裹式翼裂纹有促进作用；平行双裂隙组试件的起裂应力和峰 值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势，并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加，起裂应力和峰值强度增大并逐 渐趋于单裂隙强度水平。

试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。

关键词透明类岩石材料 平行双裂隙组 滲透水压 峰值强度中图法分类号T U458.3; 文献标志码A岩体内部存在大量缺陷、微裂隙及软弱结构面，其中的优势裂隙组往往决定着整个岩体的物理力学 性质。

工程岩体的失稳破坏都是由岩体内部裂隙的 闭合、相对滑动和扩展，进而形成贯通破坏面引起 的。

水压的存在可能促进裂隙的扩展、贯通，加速岩 体的失稳破坏，因水压存在而造成的工程事故不胜 枚举，最著名的包括马尔帕塞坝溃坝事件和瓦伊昂 水库滑坡事件。

另外，自然界中除了极少数条件下 的穿透裂隙可以简化为二维裂隙问题进行处理，真 实岩体中的裂隙本质上都是三维形态。

因此研究水 压作用下三维裂隙组的起裂、贯通机制对岩体力学、地下工程具有重大意义。

国内外学者已经对岩体裂纹扩展规律及流固耦 合方面做了相关的研究。

Dyskin等[1_6]从20世纪九十年代开始，通过在低温树脂试样上预制人工三 维裂纹的方法，进行了单、双轴压缩试验，分析了三 维裂隙扩展规律，指出了单、双轴压缩情况下三维裂2016年8月12日收到国家自然科学基金(41272329, 51379065 ,51579081)和国家“973” 计划（2011CB013504)资助 第一作者简介:曹加兴(1990—），硕士研究生。

研究方向：岩石力学 与地下工程。

E-mail :695185429@ 。

引用格式:曹加兴，朱珍德，田源，等.水压作用下三维裂隙组扩展 过程试验研究[J] •科学技术与工程，2017，17(4) :92—98Cao Jiaxing, Zhu Zhende, Tian Yuan, et al. The experimentalstudy of propagation progress of 3D crack-sets under hydraulicpressure [ J] •Science Technology and Engineering, 2017,17(4) ：92—98纹扩展规律的不同，并给出了初步解释。

李银平 等[7]研究了大理岩试样中不同裂纹方位角及岩桥 区尺寸对试样破坏模式的影响。

黄明利、唐春安 等[8一w]研究了试样表面裂隙，穿透裂纹和内置三维 裂纹的扩展形式和裂纹长度、倾角对三维裂纹扩展 的影响。

郭彦双[11，12]进行了平行三维裂隙组试样 的单轴压缩试验试样，研究了双裂隙及三裂隙试样 的破坏模式。

黎立云等[13]运用类岩石材料进行了 双向加压试验并建立了裂纹体本构模型。

陈卫 忠[14]等研究了平行双裂隙试件单双轴压缩试验并 进行了数值模拟研究。

刘东燕等[15]通过有限元计 算及模型试验得出x型节理岩体破坏机制撕拉性 复合断裂破坏。

张波等[16]进行了多种形式交叉多 裂隙试件单轴压缩试验，得出含交叉多裂隙试件破 坏面以张拉裂隙为主的结论。

朱珍德等[17]研究了 双裂隙试件不同岩桥角、不同间距裂纹扩展贯通机 制以及裂隙数量和间距对试件抗压强度的影响。

张 敦福等[18]通过理论推导研究了围压和裂隙水压对 岩体中椭圆裂纹起裂特性的影响。

简浩等[19’2°]通 过CT扫描的手段从细观上描述了节理岩体水压致 裂的损伤演化特性及裂纹扩展规律，提出了损伤和 劈裂门槛值概念。

王向刚[21]采用C型环氧树脂材 料进行了内含三维单裂隙试件在水压作用下的压缩 试验，并对不同水压下的裂纹扩展进行了比较。

杨 慧[22]推导了渗透压作用下双裂纹扩展的理论公式，提出了分支裂纹尖端应力强度因子的计算方法。

赵 鹏等[23]提出采用弥散式裂缝模型模拟水力压裂过4期曹加兴，等:水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究93程的解决办法，并导出基于弥散裂缝的应力-渗流耦 合方程。

以上对岩体裂隙扩展及流固耦合的研究大 多停留在二维层面，三维裂纹扩展方面由于试件制 作难度大等原因很少考虑了水压的影响，同时考虑裂隙的三维形态、水岩耦合机制的三维裂隙组研究 还未见相关报道。

经过长期尝试，研制出一种在低温下呈现良好 脆性并且完全透明的树脂材料。

该材料力学性质非 常接近砂岩，同时可以清晰得看到内部裂纹的扩展 情况。

在透明类岩石材料内部预制张开型裂隙组， 通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试 验，研究岩体内部裂隙组在应力一渗流耦合作用下 的起裂、扩展、贯通模式。

试验所采用研究方法及所 取得成果对理论研究和实际工程具有重大的意义。

1试验准备与方案1.1裂隙设计为了研究渗透水压作用下三维裂纹组的扩展规律，需要设计一种张开型裂纹，同时为了水压进入裂纹体需要一个与外界联通的导水通道。

本试验借鉴 文献[21]中所设计裂隙，并进行改进。

椭圆张开型 裂隙由两片大小相同的云母片及细透明橡胶圈组 成，为了减小试验误差控制裂纹总厚度在1 m m 左 右。

各裂隙之间通过透明细导管相连，导管与各裂 隙外部连接密封，防止在树脂浇筑过程中进入裂隙 腔体，同时保证导管与各个裂隙形成的通道畅通。

1. 2模具设计试验所研制模具有5块有机玻璃板组成:底板、 两块固定在底板上的竖向挡板、两块活动挡板。

模 具两块固定挡板上可以钻孔，再通过细线将裂隙腔 体固定在模具上，调整裂隙位置使裂纹处于模具正 中央。

另外，通过调整钻孔的位置可以制作不同角 度的裂隙。

然后在模具顶端用夹具夹住注水导管使 导管口位于模具端口中央。

1.3试样制作充分搅拌5 m in 左右，最后用漏斗缓慢倒入已经固 定预制裂隙的模具中。

恒温条件下放置24 h ，拆模 把已经固化成型的树脂取出，需要指出的是大量研 究表明树脂材料的性质受养护温度影响比较大，因此养护温度应严格控制。

为防止试样表面没有完全 固化，把试样放入烘箱烘焙2 h ，待试样完全固化后， 对试样上下表面进行打磨处理使其形成标准尺寸试 件（L x IF x i / = 50 m m X 50 m m X 100 m m ) 〇 将标准尺寸的试样经过反复烘焙、低温冷冻，获得较好的脆 性度，试样制作完毕（如图1、图2)。

图1试样示意图Fig. 1Sketch of specimen图2试样实物图Fig. 2Real specimen经过不断尝试，研制出一种新型的树脂材料，确 定了合适的固化剂和促进剂配比，其固化后经过反 复烘焙和冷冻能够获得较好的脆性度，可以作为模 拟岩石材料的相似材料，材料参数见表1。

首先用 电子天平称量一定量的液态树脂，然后用胶头滴管 量取确定好的促进剂，搅拌均勻后加入固化剂，再次同时，为了排空中空裂隙中的空气和更清晰的 看到裂隙的扩展情况，本试验采用往裂隙中注入墨水（冰点在-40 °C )的方法。

注墨时需要施加一定 的压力，反复进行直到排空试样内空气，墨水全部进 入;然后封住导管口，把试件放入-20 °C 的低温箱 中冷冻24 h 备用。

表1透明类岩石材料参数Table 1 Mechanical parameters of transparent rock-like material材料名称密度/(g . cm-3 )弹性模量/GPa抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 脆性度黏聚力/MPa 摩擦角/(°)透明类岩石材料1. 85. 8116.519. 16. 120. 846.894科学技术与工程17卷1.4高压注水设备为了模拟岩体中的裂隙水压力，自行设计了简 易高压注水设备（如图3、图4)。

该设备具有操作 简便、水压稳定、可提供水压高等优点，完全满足试 验所需要的指标。

设备主要由三部分组成:改装液 压千斤顶、油水转换装置及刚性加载头。

改装液压 千斤顶提供油压，油水装换装置把油压转换成水压，刚性加载块中钻有流水通道，主要任务是把水压稳 定注入到试样内部裂隙。

改装液压千斤顶和油压装 换装置由高压油管连接，并且配有单向阀，单向阀的 主要目的是排空设备中的空气使水流稳定。

油水转 换装置通过紫铜软管和刚性垫块连接，中间接有精 密水压表，水压表量程10 MPa,最小刻度0. 1MPa。

在试验中刚性垫块下部流水通道通过转换接头与试 样导管连接，并且用〇型垫圈密封。

由于试验过程 中试样始终处于零度以下的低温状态下，为防止设 备注水加压过程中水被冻住堵塞导管而导致水压不 能畅通的进入预制裂隙，需要降低水的冰点。

本试 验采用在水中加入食盐的方法，配制的饱和食盐水 冰点在-23 °C左右。

注水设备的根本任务是提供 稳定水压，其密封性是非常重要的指标，设备中所有 接头必须有密封条或者0型垫圈，同时试样顶端应 保证平整光滑。

改装液压千金顶单向阀, 油压装换装置Q1.水压表刚性垫块一(3型垫圈图3注水设备示意图Fig. 3 Sketch of water injection device图4注水设备实物图Fig. 4 Water injection device2试验流程试验所用仪器包括试样制作仪器（电子天平、胶头滴管、漏斗、烘箱、DW- 60W60低温箱、打磨及 拋光机具）、高压注水设备、RMT- 150B多功能刚性岩石伺服试验机、佳能EOS700D相机及补光设备。

(1)中空预制裂隙组透明类岩石材料标准试样 制作。

(2) 高压注水设备加入饱和食盐水、排空设备中空气。