三峡花岗岩起裂机制研究

2 实验设备和试样
实验是在中国科学院武汉岩土力学研究所 MTS815.03 电液伺服岩石力学实验机上进行的。
花岗岩试样取自三峡地下厂房区，其矿物组成 为：黑云母 20%，石英 25%，长石 45%，透闪石 5%。 试样按照国际岩石力学学会建议的方法和岩石力学 试样规范，加工成直径为 50 mm、高度为 100 mm 的 圆柱体标准试样。
收稿日期：2007–07–11；修回日期：2007–08–15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50579071)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708) 作者简介：朱泽奇(1980–)，男，2002 年毕业于西安交通大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事数值岩石力学与工程方面的研究工作。 E-mail：zhuzeqi2005@
定扩展阶段，其内部裂纹属 I 型裂纹，由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析，研究起裂应力、起裂角与
围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现，二者在一定围压区间是比较接近的。
关键词：岩石力学；三峡花岗岩；裂纹应变；起裂应力；拉伸破坏
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)12–2570–06
弹性阶段越长，进入裂纹扩展阶段后，ε
c v
曲线越来
越平缓，这说明裂纹扩展的速度在变慢。
图 4 为起裂应力 σ ci 、峰值强度 σ f 与围压的关 系曲线。 从图中可以看出 σ ci 与围压变化幅度一致， 与峰值强度相比，起裂应力一般保持在峰值应力的
25%～50%。
σf = 8.5σ2+154
σci = σ2+75.2
STUDY ON CRACK INITIATION MECHANISM OF THREE GORGES GRANITE
ZHU Zeqi，SHENG Qian，LENG Xianlun，ZHANG Zhanrong
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
摘要：从三峡花岗岩常规三轴实验出发，通过研究裂纹应变的变化规律，得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结
果表明，起裂应力与围压变化幅度一致，与峰值强度相比，起裂应力一般保持在峰值应力的 25%～50%。进一步
的实验与理论分析认为，三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂，从起裂至裂纹稳
增量小于弹性体积应变增量，导致
ε
c v
曲线向负方向
偏移。于是，由
ε
c v
曲线表示的弹性阶段与裂纹扩展
阶段之间必然存在一个拐点，找到这个拐点对应的
轴向应力水平，就确定了起裂应力σ ci 。如果不考虑 原始裂纹闭合带来的体积变形，那么实际上σ ci 还标 志着岩样体积膨胀的开始。
进一步研究不同围压下裂纹体积应变
开裂是局部发生的，轴向裂纹的发生和发展最终导
致样品的劈裂破坏。这是由于岩石属于天然的非均
匀材料，其中存在的原生裂纹、微孔洞、颗粒边界
等都会在材料受力时引起局部的应力集中。当这一
集中应力值超过该区域的材料强度时，便会发生局
部破坏。而一旦有了局部区域的开裂，应力集中将
移至裂纹尖端，从而促使破坏在该区域Байду номын сангаас断发展。
ε
c v
曲线，图
2
给出了三峡花岗岩单轴压缩的裂纹体
积应变曲线和起裂应力的示意图。体积应变 ε v 为正
表示体积缩小，在弹性阶段，总体积应变增量等于
弹性体积应变增量，ε
v
与
ε
e v
的差值就是原始裂纹闭
合引起的体积缩小量，所以在这一阶段，ε
c v
曲线保
持水平。当岩样进入裂纹扩展阶段，总体积应变中
包含裂纹张开引起的体积增大量，所以总体积应变
花岗岩是一种坚硬裂隙岩石，国内外学者[1～7] 对花岗岩类脆性岩石的破坏进行了大量的研究，许 多成果均表明脆性岩石的峰前应力–应变曲线一般
可以被分为 4 个阶段：I 阶段为岩石内原生裂纹的 压缩闭合阶段；II 阶段是线弹性变形阶段；III 阶段 是裂纹稳定扩展阶段；IV 阶段是裂纹非稳定扩展阶 段。花岗岩作为一种非匀质材料，其内部包含大量 的原生裂纹，这些原生裂纹经过 I 阶段的压缩闭合， 其裂纹形状会发生变化，甚至完全闭合，此时的花
crack initiation stress is generally located between 25% and 50% of the peak strength. Through experimental and theoretical analyses，it is found that the microcosmic failure of Three Gorges granites is mainly induced by tensile cracks under uniaxial and triaxial compressive conditions；and the cracks inside the granite belong to I-mode fracture in stable crack growth stage. Furthermore，the fracture mechanical model of Three Gorges granite is established in order to study the relationship between crack initiation stress，crack initiation angle and confining
图 4 起裂应力、峰值应力与围压的关系 Fig.4 Relationship between crack initiation stress，peak stress
and confining pressure
李 炼等[14]采用液压加载台、光学显微镜、同
步录像系统及二次复型技术等，研究花岗岩板在单
轴压缩应力状态下的微观破坏过程，发现花岗岩的
pressure. Some beneficial conclusions are drawn. Key words：rock mechanics；Three Gorges granite；crack strain；crack initiation stress；tensile failure
1引言
对于压应力条件下岩石内部裂纹的起裂与扩展 机制，已经建立了多种断裂力学模型，其中应用比 较广泛的有微孔洞应力集中模型[10]、颗粒间的弹性 位错模型[11]、颗粒间的赫兹接触模型[12]和原生裂纹 的剪切滑移模型[13]。
本文从三峡花岗岩常规三轴实验出发，分别运 用裂纹应变分析和断裂力学方法研究了花岗岩的起 裂机制，并建立了相应的起裂准则，得到了一些有 益的结论。
闭合或是在加载过程中新裂纹的张开和扩展形成的
体积变化，另一部分就是相同应力水平下的弹性体
积应变
ε
e v
：
ε
e v
=
1 − 2ν E
(σ 1
+
2σ 2 )
(2)
式中： E ，ν 分别为根据线弹性阶段实验曲线求得
的弹性模量和泊松比。
从体积应变
ε
v
中减去弹性体积应变
ε
e v
，得到可
以反映加载过程中裂纹闭合与张开的裂纹体积应变
这也是局部破坏发生发展的主要原因。
利用上一节中得到裂纹体积应变
ε
c v
的方法，在
实测的 ε1 和 ε2 中减去相同应力条件下的弹性应变
ε1e
和
ε
e 2
，可以得到轴向与径向裂纹应变
ε1c
和
ε
c 2
。
如果将圆柱岩样简化为轴对称平面形式，则可以将
ε1c
和
ε
c 2
视为岩样内部裂纹扩展引起的应变在岩样
轴向与径向的投影，对于沿裂纹面扩展而非弯折扩
Abstract：Based on the conventional triaxial compression test of Three Gorges granites，the crack initiation stress
under different confining pressures can be obtained by studying the crack strain curves. The result shows that the crack initiation stress changes at the same extent with confining pressure；compared with the peak strength，the
岩石力学与工程学报
2007 年
4 起裂机制分析
ε2
ε1
ε1
图 2 裂纹体积应变和起裂应力示意图 Fig.2 Sketch of crack volumetric strain and crack initiation
stress
图 3 不同围压下的裂纹体积应变 Fig.3 Crack volumetric strains under various confining pressures
ε
c v
曲线，
如图 3 所示，由于不同岩样的原始裂纹闭合引起的
体积缩小量具有一定的离散性，为了方便比较，图 3
给出部分围压下的
ε
c v
曲线，曲线旁标注的数字是围