基于3D-DIC的多裂隙灰?guī)r裂紋擴(kuò)展及連接規(guī)律研究

彭巖巖 程嘯 宋南 秦奇 張慶鵬

摘要：

為深入了解中間裂隙傾角對(duì)含裂隙灰?guī)r裂紋擴(kuò)展和連接的影響，對(duì)含預(yù)制裂隙的灰?guī)r試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。通過3D-DIC技術(shù)得到了試樣破壞過程應(yīng)變場(chǎng)演化圖，并結(jié)合裂紋擴(kuò)展過程圖分析灰?guī)r試樣破壞的全過程。研究發(fā)現(xiàn)：主應(yīng)變場(chǎng)的演化過程就是高應(yīng)變區(qū)的擴(kuò)展過程，該過程與裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通過程具有很好的一致性。隨著中間裂隙傾角的增大，中間裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙中部向裂隙兩端轉(zhuǎn)移，而平行裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙端部向裂隙中部轉(zhuǎn)移，同時(shí)，平行裂隙與中間裂隙之間的連接裂紋種類并不會(huì)隨著中間裂隙傾角的改變而發(fā)生改變，皆為拉伸連接裂紋。中間裂隙傾角的改變對(duì)灰?guī)r試樣最終破壞模式影響較小，試樣破壞大多為劈裂或拉伸破裂。該試驗(yàn)的研究方法和結(jié)果對(duì)研究處在層狀巖體地質(zhì)條件下的工程圍巖穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：

灰?guī)r； 裂隙演化； 3D-DIC； 單軸壓縮試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)： TU45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.032

0 引 言

巖石作為一種天然的非均質(zhì)材料，在各類工程中應(yīng)用廣泛。由于自然因素或人為因素的影響，在巖石內(nèi)部或表面會(huì)產(chǎn)生各類缺陷（如孔洞和裂隙等），而這些缺陷的逐步發(fā)展貫通是導(dǎo)致巖石破壞的重要因素之一。

為了研究含缺陷巖石的破壞過程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助高速攝影、聲發(fā)射、CT技術(shù)和電鏡掃描等方法進(jìn)行了大量深入的研究。Wong［1］、楊圣奇［2］、劉新榮［3］、Xu［4］等通過高速攝影技術(shù)對(duì)巖石或類巖石在壓縮作用下裂紋擴(kuò)展和變形規(guī)律進(jìn)行研究，得到了許多重要的成果。董隴軍等［5］對(duì)單軸受壓花崗巖破壞全過程進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，得到了聲發(fā)射能級(jí)頻次分布和波形頻譜兩類指標(biāo)在巖石破壞過程中所表現(xiàn)出的階段特征，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了塑性階段裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的辨識(shí)方法。葛修潤(rùn)［6-7］、李術(shù)才［8］、李廷春［9］等采用CT 實(shí)時(shí)掃描技術(shù)，對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展演化過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。趙程等［10］通過對(duì)含單條裂隙石膏試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，利用電鏡儀掃描試樣的破壞全斷面，從細(xì)觀角度分析了裂隙傾角與全斷面拉剪應(yīng)力權(quán)重的關(guān)系。

除了以上觀測(cè)手段，也有部分學(xué)者利用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC方法）對(duì)巖石破壞過程進(jìn)行研究。DIC方法最早由日本學(xué)者Yamaguchi［11］和美國(guó)學(xué)者Ranson等［12］同時(shí)提出，后來經(jīng)過Sutton等［13-15］完善了數(shù)字圖像技術(shù)相關(guān)理論，并將該方法運(yùn)用到研究裂紋擴(kuò)展過程中位移場(chǎng)變化特征上。宋義敏等［16］利用數(shù)字散斑相關(guān)方法計(jì)算并分析了巖石試樣加載過程中的變形局部化帶的位移演化和試樣表面變形能量演化。趙程［17］、朱泉企［18］、郭奇峰［19］等通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)得到了含缺陷巖石在單軸作用下表面的主應(yīng)變場(chǎng)，并采用最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論來分析裂紋萌生、擴(kuò)展及破壞的全過程。李露露等［20］通過數(shù)字圖像技術(shù)計(jì)算得到了三叉裂隙類巖石試樣表面主應(yīng)變和剪應(yīng)變?cè)茍D，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致試樣失效的是張拉破壞而不是剪切破壞。彭巖巖等［21］采用三維數(shù)字圖像觀測(cè)系統(tǒng)研究預(yù)制孔洞大理巖單軸壓縮破壞全過程，分析了預(yù)制孔洞大理巖在破壞過程中表面位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的演化過程。

利用數(shù)字圖像技術(shù)可以較好地觀測(cè)到巖石破壞的全過程，但常規(guī)的2D-DIC技術(shù)無法確定目標(biāo)觀測(cè)的三維空間信息［22-23］，在實(shí)際應(yīng)用中有諸多限制，尤其是對(duì)圓柱體試樣的變形無法適用。故本文以含裂隙灰?guī)r作為主要研究對(duì)象，以3D-DIC技術(shù)作為主要觀測(cè)手段，采用最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論作為裂紋萌生的判斷依據(jù)，基于主應(yīng)變圖和由實(shí)時(shí)圖片所繪制的裂紋擴(kuò)展圖研究中間裂隙傾角對(duì)含裂隙灰?guī)r的裂紋擴(kuò)展及連接規(guī)律的影響。這對(duì)于了解受到次生裂隙切割或連接時(shí)的層狀工程巖體在應(yīng)力擾動(dòng)或應(yīng)力加載下所發(fā)生的巖橋破壞過程和模式具有一定的研究意義。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 裂隙模型建立

含節(jié)理裂隙巖體中裂隙之間的距離及傾角是各式各樣的，本文設(shè)計(jì)的多裂隙模型含有三條裂隙，其中上下兩條長(zhǎng)度相等且相互平行，第三條位于兩者正中間，并與兩條平行裂隙有相交的趨勢(shì)，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案介紹

根據(jù)圖1所示的多裂隙模型，試驗(yàn)選取灰?guī)r作為試驗(yàn)材料?；?guī)r試樣為圓柱體，尺寸為50 mm×100 mm（直徑×高度），端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，符合ISRM的基本要求。在灰?guī)r試樣上預(yù)制上述三條裂隙。兩條平行裂隙中，上端裂隙為裂隙①，下端裂隙為裂隙②，它們的長(zhǎng)度均為2a（a=10 mm），寬度為b（b=1.2 mm），裂隙①、②中點(diǎn)之間的間距D為固定值33 mm，且與水平方向的夾角均為α，α恒為40°。中間裂隙為裂隙③，其中點(diǎn)位于試樣中心，長(zhǎng)度為c（c=13 mm），寬度也為b（b=1.2 mm），中間裂隙與水平方向的夾角為β，β由15°變化到90°，增量為15°。值得注意的是，平行裂隙的中點(diǎn)與中間裂隙的中點(diǎn)都在試樣的中軸線上，試樣信息如圖2所示，試樣方案如表1所列。在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，選擇位移加載的方式進(jìn)行加載，加載速率為0.12 mm/min，同時(shí)搭載數(shù)字散斑系統(tǒng)對(duì)試樣表面的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖3所示。為減小試驗(yàn)的離散性，每組試驗(yàn)取三個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

（1） 在含裂隙灰?guī)r試樣表面噴涂散斑，表面應(yīng)保證散斑分布較為均勻且密集，如圖4所示。

（2） 將相機(jī)安裝到支架上，并由試樣大小計(jì)算出測(cè)量距離放置支架，調(diào)節(jié)相機(jī)焦距和間距，并在設(shè)備兩邊架設(shè)照明設(shè)備。

（3） 選擇合適的標(biāo)定板對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定誤差在0.05像素以內(nèi)。

（4） 使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)灰?guī)r試樣進(jìn)行加載，加載速率為0.12 mm/min。

（5） 在單軸壓縮過程中，使用三維數(shù)字散斑觀測(cè)系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)，采集頻率為1 s采集10張圖片。

（6） 使用三維數(shù)字散斑系統(tǒng)自帶的后處理軟件對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行處理，計(jì)算得到單軸壓縮過程中含裂隙灰?guī)r試樣表面的應(yīng)變場(chǎng)。同時(shí)，利用相機(jī)所拍攝的實(shí)時(shí)圖片繪制灰?guī)r表面裂紋擴(kuò)展圖。

2 力學(xué)特征

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5給出了部分含不同中間裂隙傾角的灰?guī)r試樣在單軸壓縮作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖5可以看出，在單軸壓縮作用下，含裂隙灰?guī)r試樣與無裂隙試樣相比，其峰值強(qiáng)度要低于無裂隙試樣的峰值強(qiáng)度。Z-75-2試樣的應(yīng)力在峰值之后出現(xiàn)了“階梯狀”的跌落現(xiàn)象，而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因就是裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展所致，是一種典型的峰后應(yīng)力軟化現(xiàn)象［24］。

2.2 峰值強(qiáng)度

對(duì)表1中各工況下的灰?guī)r試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，可以獲得完整及中間裂隙改變條件下灰?guī)r試樣的峰值強(qiáng)度，將它們列于表2。

由表2可見，含裂隙灰?guī)r各個(gè)試樣的峰值強(qiáng)度明顯低于完整灰?guī)r試樣，且平均抗壓強(qiáng)度隨著中間裂隙傾角的增大出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，試樣最小的平均峰值應(yīng)力為29.13 MPa（傾角β為 15°），試樣最大的平均峰值應(yīng)力為37.56 MPa（傾角β為 90°），比最小的峰值應(yīng)力高出28.9%。

3 含裂隙灰?guī)r試樣破壞過程

由文獻(xiàn)可知，巖石在單軸壓縮下可以細(xì)分為6個(gè)階段，即壓密階段、彈性階段、微破裂階段、非穩(wěn)定破裂階段、峰值階段和峰后破壞階段［25］。為了便于觀測(cè)和研究裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通的過程，繪制出Z-30-3、Z-60-3和Z-90-2試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線，并在各壓縮狀態(tài)下取特征點(diǎn)，其中壓密階段、彈性階段及微破裂階段各取一個(gè)點(diǎn)，分別記為a點(diǎn)、b點(diǎn)和c點(diǎn)，由于非穩(wěn)定破裂階段上試樣表面新生裂紋產(chǎn)出較多，故在此階段取3個(gè)點(diǎn)，記為d點(diǎn)、e點(diǎn)、f點(diǎn)，峰值和峰后階段各取一點(diǎn)，分別記為g點(diǎn)和h點(diǎn)，如圖6所示。

由圖6所提供的點(diǎn)，提取出Z-30-3、Z-60-3和Z-90-2試樣在各個(gè)階段的主應(yīng)變圖和裂紋擴(kuò)展圖，如圖7～9所示。值得注意的是，裂紋編號(hào)（1，2，3，…）及裂紋的上標(biāo)字母（T為拉伸裂紋，S為剪切裂紋）分別代表裂紋的出現(xiàn)順序和裂紋類型，例如1T的意思為試樣表面產(chǎn)生的第一條裂紋且該裂紋為拉伸裂紋。

由圖7可見，中間裂隙為30°的灰?guī)r試樣的主應(yīng)變?cè)茍D在壓密階段和彈性階段未出現(xiàn)應(yīng)變集中，且沒有裂紋出現(xiàn)。當(dāng)灰?guī)r試樣進(jìn)入到微破裂階段時(shí)，試樣表面出現(xiàn)了4處應(yīng)變集中區(qū)域，這4處應(yīng)變集中區(qū)域的最大應(yīng)變值從上至下分別為0.013，0.017，0.021和0.015，由于所用材料為脆性，且拉伸強(qiáng)度僅為3.71 MPa，采用第二強(qiáng)度理論即最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論［17-19，25］，可求得臨界線應(yīng)變?chǔ)舕im=σ/E=4.84×10-4（E=7 661.6 MPa），而此時(shí)云圖中應(yīng)力集中區(qū)域的拉伸主應(yīng)變值皆超過了臨界線應(yīng)變，認(rèn)為該區(qū)域形成了微破裂，即部分點(diǎn)已經(jīng)破碎形成微小裂紋，但微裂紋的范圍及密度不大，尚未成核導(dǎo)致宏觀裂紋，表明這幾處應(yīng)變區(qū)域中分別有翼裂紋1T，2T，3T和4T生成。當(dāng)試樣進(jìn)入到非穩(wěn)定破裂階段時(shí)，試樣表面應(yīng)變集中區(qū)域增多，最大應(yīng)變值皆超過了臨界線應(yīng)變，在此階段依次產(chǎn)生了裂紋5T，6T，7S，8S和9T。值得注意的時(shí)，剪切裂紋7S和8S在產(chǎn)生時(shí)未有明顯的應(yīng)變集中區(qū)域，而是出現(xiàn)了應(yīng)變破壞區(qū)，這是由于7S與8S裂紋所在的區(qū)域產(chǎn)生了較多且較寬的裂紋，從而使得用于監(jiān)測(cè)的散斑點(diǎn)遭到了破壞，同時(shí)，在裂隙②左側(cè)端部左下方雖有應(yīng)變集中區(qū)域，但未有裂紋產(chǎn)生，這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)［19］中也有所提及。在峰值階段，試樣表面出現(xiàn)了拉伸裂紋10T。在峰后破壞階段，試樣表面裂紋擴(kuò)展較為迅速，朝著最大壓應(yīng)力方向發(fā)育的裂紋迅速擴(kuò)展至試樣兩端，所監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變集中區(qū)域出現(xiàn)大量破壞，且在試樣的右側(cè)出現(xiàn)拉伸裂紋11T，在應(yīng)力驟降的同時(shí)，試樣表面出現(xiàn)大面積的剝落區(qū)域，最終導(dǎo)致灰?guī)r試樣失效。

由圖8可見，中間裂隙為60°的灰?guī)r試樣進(jìn)入微破裂階段時(shí)，試樣表面出現(xiàn)了4處高應(yīng)變區(qū)域，且最大應(yīng)變值皆超過臨界線應(yīng)變，這幾處出現(xiàn)了翼裂紋1T，2T，3T和4T。隨著加載進(jìn)行，當(dāng)灰?guī)r試樣進(jìn)入到非穩(wěn)定破裂階段時(shí)，試樣表面應(yīng)變集中區(qū)域增多，最大應(yīng)變值皆超過了臨界線應(yīng)變，在此階段依次產(chǎn)生了裂紋5T，6T，7S和8T。值得注意的是，剪切裂紋7S在產(chǎn)生時(shí)出現(xiàn)了一定的破碎區(qū)，散斑點(diǎn)遭到破壞，故未監(jiān)測(cè)到明顯的應(yīng)變集中區(qū)域，同時(shí)，裂隙②左側(cè)端部出現(xiàn)了一條斜向左下方的應(yīng)變集中區(qū)域，但該區(qū)域未出現(xiàn)裂紋。在峰值階段時(shí)，依次出現(xiàn)了拉伸裂紋9T和剪切裂紋10S。在峰后破壞階段，試樣表面裂紋擴(kuò)展較為迅速，在應(yīng)力驟降的同時(shí)，試樣表面形成大塊剝落區(qū)。

由圖9可見，中間裂隙為90°的灰?guī)r試樣進(jìn)入微破裂階段時(shí)，試樣表面出現(xiàn)5處應(yīng)變集中區(qū)域，但只有3處區(qū)域的最大應(yīng)變值超過臨界線應(yīng)變，這3處分別產(chǎn)生了翼裂紋1T，2T和3T。在試樣進(jìn)入非穩(wěn)定破裂階段時(shí)，試樣表面應(yīng)變集中區(qū)域的顏色加深，同時(shí)應(yīng)變集中區(qū)域的數(shù)量也在增多，在此階段分別產(chǎn)生了4T，5T，6T，7S，8T，9T和10T。值得注意的是，拉伸裂紋8T在向上擴(kuò)展時(shí)，出現(xiàn)了少量剝落區(qū)，使得8T裂紋所在的應(yīng)變集中區(qū)域出現(xiàn)部分破壞。在峰值階段時(shí)，產(chǎn)生了拉伸裂紋11T，試樣表面出現(xiàn)了較大的剝落區(qū)。在峰后破壞階段，試樣表面裂紋快速擴(kuò)展，且有大量剝落區(qū)生成。

綜上所述，采用最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論作為裂紋萌生的判斷依據(jù)，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)變場(chǎng)的演化過程與裂紋起裂、擴(kuò)展、連接和貫通過程具有很好的一致性，灰?guī)r試樣表面開始出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域都是從微破裂階段開始，這些率先出現(xiàn)的應(yīng)變集中區(qū)域大部分集中在預(yù)制裂隙的端部位置，且在此階段產(chǎn)生的裂紋皆為翼裂紋。隨著加載進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)入到非穩(wěn)定破裂階段時(shí)，應(yīng)變集中區(qū)域增加的較多，說明此階段出現(xiàn)較多微裂紋，與微破裂階段相比，此階段除了出現(xiàn)拉伸裂紋，也有可能出現(xiàn)剪切裂紋。到峰值階段時(shí)，試樣處在破壞的邊緣，試樣表面基本不會(huì)出現(xiàn)新生裂紋。在峰后破壞階段，隨著應(yīng)力的驟降，試樣表面快速出現(xiàn)較多新裂紋且出現(xiàn)大量剝落區(qū)，而之前出現(xiàn)的裂紋會(huì)快速貫通整個(gè)試樣，最終導(dǎo)致試樣失效。不難看出，裂紋的發(fā)展過程是高應(yīng)變區(qū)不斷蔓延的過程，也是微破裂不斷出現(xiàn)、發(fā)育以及集中成核形成宏觀裂紋的過程。

4 含裂隙灰?guī)r試樣的連接特征

通過第3節(jié)對(duì)中間裂隙改變下灰?guī)r試樣破壞過程的描述，可以發(fā)現(xiàn)3條預(yù)制裂隙之間的連接特征會(huì)隨著中間裂隙傾角β的改變而發(fā)生改變，如圖10所示。

由圖10可以看到，當(dāng)中間裂隙傾角為30°時(shí)，裂隙①左側(cè)端部附近與裂隙③中部發(fā)生了一處連接，連接裂紋為翼裂紋1T；裂隙②右側(cè)端部與裂隙③中部之間有一處連接，連接裂紋為拉伸裂紋9T；裂隙②中部與裂隙③左側(cè)端部發(fā)生了一處連接，連接裂紋為翼裂紋2T。當(dāng)中間裂隙傾角為60°時(shí)，裂隙①中部與裂隙③右側(cè)端部產(chǎn)生了一處連接，連接裂紋為翼裂紋3T；裂隙②右側(cè)端部附近與裂隙③中部產(chǎn)生了一處連接，連接裂紋為翼裂紋1T。當(dāng)中間裂隙傾角為90°時(shí)，裂隙①中部與裂隙③上端部發(fā)生一處連接，連接裂紋為翼裂紋1T；裂隙②左右兩側(cè)端部附近與裂隙③下端部產(chǎn)生了兩處連接，連接裂紋分別為拉伸裂紋11T和翼裂紋2T；裂隙①左側(cè)端部與裂隙②左側(cè)端部之間也發(fā)生了一處連接，連接裂紋為拉伸裂紋9T。

綜上所述，當(dāng)中間裂隙傾角較小時(shí)，平行裂隙與中間裂隙之間發(fā)生的連接大多是平行裂隙端部與中間裂隙中部之間的連接，且連接裂紋皆為拉伸裂紋。而隨著中間裂隙傾角的增大，中間裂隙與兩條平行裂隙的連接點(diǎn)改為中間裂隙端部與平行裂隙中部位置，連接裂紋還是為拉伸裂紋。這說明，隨著中間裂隙傾角的增大，中間裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙中部向裂隙兩端轉(zhuǎn)移，而平行裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙端部向裂隙中部轉(zhuǎn)移，同時(shí)，平行裂隙與中間裂隙之間的連接裂紋種類并不會(huì)隨著中間裂隙的改變而發(fā)生改變，皆為拉伸連接裂紋。

5 含裂隙灰?guī)r試樣的破壞模式

選取Z-30-3、Z-60-3和Z-90-2灰?guī)r試樣最終破壞圖片對(duì)平行裂隙改變下灰?guī)r的破壞模式進(jìn)行分析，如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)中間裂隙傾角為30°時(shí)，試樣最終破壞主要受3條裂紋的影響，分別為拉伸裂紋6T，10T和11T，其中拉伸裂紋10T貫穿試樣上下兩端，試樣左側(cè)發(fā)生劈裂和拉伸破裂，右側(cè)發(fā)生拉伸破裂。當(dāng)中間裂隙傾角為90°時(shí)，試樣最終破壞主要受三條裂紋的影響，分別為拉伸裂紋6T，8T和10T，其中6T和10T連接在一起并貫穿試樣底部，8T貫穿試樣頂部，試樣左右兩側(cè)發(fā)生拉伸破裂。由此可見，中間裂隙傾角的改變對(duì)灰?guī)r試樣最終破壞模式影響較小，皆是發(fā)生了由拉應(yīng)力引起的劈裂或拉伸破裂。

6 結(jié) 論

利用3D-DIC技術(shù)觀測(cè)含裂隙灰?guī)r單軸壓縮試驗(yàn)過程，通過獲得的主應(yīng)變圖分析裂紋萌生、擴(kuò)展、連接及貫通的全過程，為研究巖石破壞過程提供了一種有效辦法，在本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：

（1） 含裂隙灰?guī)r各個(gè)試樣的峰值強(qiáng)度明顯低于完整灰?guī)r試樣，且平均抗壓強(qiáng)度隨著中間裂隙傾角的增大出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，試樣最小的平均峰值應(yīng)力為29.13 MPa（傾角β為15°），試樣最大的平均峰值應(yīng)力為37.56 MPa（傾角β為90°），比最小的峰值應(yīng)力高出28.9%。

（2） 采用最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論作為裂紋萌生的判斷依據(jù)，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)變場(chǎng)的演化過程與裂紋起裂、擴(kuò)展、貫通過程具有很好的一致性，裂紋的發(fā)展過程是高應(yīng)變區(qū)不斷蔓延的過程，也是微破裂不斷出現(xiàn)、發(fā)育以及集中成核形成宏觀裂紋的過程。

（3） 隨著中間裂隙傾角的增大，中間裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙中部向裂隙兩端轉(zhuǎn)移，而平行裂隙上的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由裂隙端部向裂隙中部轉(zhuǎn)移，同時(shí)，平行裂隙與中間裂隙之間的連接裂紋種類并不會(huì)隨著中間裂隙的改變而發(fā)生改變，皆為拉伸連接裂紋。

（4） 中間裂隙傾角的改變對(duì)灰?guī)r試樣最終破壞模式影響較小，試樣破壞大多為劈裂或拉伸破裂。

參考文獻(xiàn)：

［1］ WONG L N Y，EINSTEIN H H.Crack coalescence in molded gypsum and Carrara marble：Part 1.Macroscopic observations and interpretation［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2009，42（3）：475-511

［2］ 楊圣奇.斷續(xù)三裂隙砂巖強(qiáng)度破壞和裂紋擴(kuò)展特征研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（1）：31-39

［3］ 劉新榮，尹志明，王艷磊.含 V型相交裂隙巖體的力學(xué)特性及破壞模式試驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2020，45（2）：651-659.

［4］ XU J，ZHENG Z Y，XIAO X C，et al.Crack propagation and coalescence of Step-Path Failure in rock［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2019，52：965-979.

［5］ 董隴軍，張義涵，孫道元，等.花崗巖破裂的聲發(fā)射階段特征及裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)識(shí)別［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，41（1）：120-131.

［6］ 葛修潤(rùn)，任建喜，蒲毅彬，等.煤巖三軸細(xì)觀損傷演化規(guī)律的CT動(dòng)態(tài)試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18（5）：497-502.

［7］ 葛修潤(rùn)，任建喜，蒲毅彬，等.巖石細(xì)觀損傷擴(kuò)展規(guī)律的CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)［J］.中國(guó)科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué)，2000（2）：104-111.

［8］ 李術(shù)才，李廷春，王剛，等.單軸壓縮作用下內(nèi)置裂隙擴(kuò)展的CT掃描試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：484-492.

［9］ 李廷春，呂海波，王輝.單軸壓縮載荷作用下雙裂隙擴(kuò)展的CT掃描試驗(yàn)［J］.巖土力學(xué)，2010，31（1）：9-14.

［10］ 趙程，于志敏，王文東，等.基于單軸壓縮的巖體破壞機(jī)制細(xì)觀試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（12）：2490-2498.

［11］ YAMAGUCHI I.A Iaser-speklestrain gage［J］.Journal of Physis E：Scientific Instruments，1981，14：1270-1273.

［12］ RANSON W F，PETERS W H.Digital image techniques in experimental stress analysis［J］.Optical Engineering，1982，21（3）：427-431

［13］ SUTTON M A，WOLTERS W J，PETERS W H，et al.Determination of displacements using an improved digital correlation method［J］.Image and Vision Computing，1983，1（3）：133-139

［14］ SUTTON MA，et al.The effects of subpixel image restoration on digital correlation errorestimates［J］.Optical Engineering，1988，27（3）：173-175.

［15］ RUSSEL S R，SUTTON M A.Image correlation quantitative NDE of impact and fabrication damage in a glass fiber reinforced composite system［J］.Materials Evaluation，1989，47（5）：550-561.

［16］ 宋義敏，姜耀東，馬少鵬，等.巖石變形破壞全過程的變形場(chǎng)和能量演化研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（5）：1352-1356，1365.

［17］ 趙程，鮑沖，松田浩，等.數(shù)字圖像技術(shù)在節(jié)理巖體裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中的應(yīng)用研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（5）：944-951.

［18］ 朱泉企，李地元，李夕兵.含預(yù)制橢圓形孔洞大理巖變形破壞力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（增1）：2724-2733.

［19］ 郭奇峰，武旭，蔡美峰，等.預(yù)制裂隙花崗巖的裂紋起裂機(jī)理試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（增2）：476-483.

［20］ 李露露，高永濤，周喻，等.單軸壓縮條件下含三叉裂隙類巖石試樣力學(xué)特性的細(xì)觀研究［J］.巖土力學(xué)，2018，39（10）：3668-3676.

［21］ 彭巖巖，林群超，鄧浩翔，等.基于3D-DIC技術(shù)的預(yù)制孔洞大理巖破壞過程研究［J］.人民長(zhǎng)江，2021，52（12）：202-209.

［22］ 劉冬梅，蔡美峰，周玉斌，等.巖石裂紋擴(kuò)展過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（3）：467-472.

［23］ 趙永紅，梁海華，熊春陽，等.用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行巖石損傷的變形分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（1）：73-76.

［24］ 徐軍.非穿透裂紋誘導(dǎo)的巖石破裂過程及失效判據(jù)研究［D］.南京：東南大學(xué)，2018.

［25］ 劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：

To deeply understand the influence of intermediate crack inclination angle on crack propagation and coalescence in fractured limestone，uniaxial compression tests were carried out on limestone specimens with prefabricated cracks.The strain field evolution diagram of the failure process of the specimens was obtained using the 3D digital image correlation technology（3D-DIC technology）.The strain field in combination with the crack propagation diagram was used to analyze the entire failure process of the limestone specimens.The test results show that the evolution process of the principal strain field is an expansion process of the high-strain region，which is in good agreement with the crack initiation，propagation and penetration processes.With the increase of the intermediate crack inclination angle，the stress concentration area on the middle of the crack will transfer to the two ends of the crack，while the stress concentration area on the parallel crack will transfer from the end of the crack to the middle.Meanwhile，the coalescing crack type between the parallel the intermediate crack does not change with the inclination angle of the intermediate cracks，remaining as tensile connection cracks.The failure of specimen is mostly splitting or tensile fracture，which is almost not influenced by change of the inclination angle of the intermediate crack.The research methods and results have certain reference value for studying the stability of engineering surrounding rock under the geological conditions of layered rock mass.

Key words：

limestone；crack evolution；3D-DIC；uniaxial compression test