2024年1月24日发(作者：)

第37卷第6期

2020年11月文章编号：1673-3363-(2020)06-1246-09采矿与安全工程学报

Journal of Mining & Safety EngineeringVol.37 No.6

Nov. 2020复合岩层强度特性及破坏机理三轴加载试验研究程建龙u，罗松3,李佳宝李劲锋刘浩、杨圣奇2,赵维生4(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059; 2.中国矿业大学

深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116; 3.贵定海螺盘江水泥有限责任公司，贵州贵定551300; 4.贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳550003)摘要对不同倾角复合岩层试样进行了常规三轴抗压试验，研究了层理倾角和围压对复合岩层试

样峰值强度的影响规律，探讨了复合岩层试样强度的各向异性特征，深入分析了不同围压下试样

的破坏模式，揭示了软硬岩层基质和层理面活化裂纹方向及数量统计特征，明确了复合岩层在三

轴加栽过程中的破坏机理。得出在(9从0。增加至90。过程中，黏聚力先降低后升高并在0=60。取

得最小值，其变化规律与峰值强度的变化规律基本一致，而内摩擦角总体呈现降低趋势。0=〇。~9〇。

试样的峰值强度随围压升高强度各向异性比降低，且0=0。和化90。试样的峰值强度随围压升高逐

渐趋于相等。低围压下0=0。〜30。试样在加载过程中软岩发生剪切破坏，裂纹方向多与加栽方向有

一夹角，而硬岩发生张拉劈裂破坏，裂纹方向大多平行于加栽方向且大致呈正态分布。硬岩基质

中的间断裂纹数量随围压升高逐渐减少。关键词复合岩层；三轴抗压试验；强度特性；破坏机理；裂纹特征中图分类号

TD 313 文献标志码

A

DO丨 10.13545/.2020.06.020Triaxial loading test of strength behavior and

failure mechanism of composite rockCHENG

Jianlong1’2，LUO

Song3，LI

Jiabao1，LI

Jinfeng1，LIU

Hao1，YANG

Shengqi2,

ZHAO

Weisheng4(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu,

Sichuan 610059, China； 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of

Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China； 3. Guiding CONCH Panjiang Cement Co Ltd, Guiding, Guizhou

551300* China； 4. Institute of Mining Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang, Guizhou 550003, China)Abstract

Conventional

triaxial

compression

tests

have

been

conducted

on

composite

rock

specimens

with

different

dip

angles.

The

effect

of

bedding

dip

angle

and

confining

pressure

on

the

peak

strength

of

the

composite

rock

samples

has

been

studied,

the

anisotropy

of

strength

behavior

of

the

samples

has

been

discussed,

the

failure

mode

of

specimen

under

different

confining

pressure

has

been

deeply

ana­lyzed,

the

direction

and

quality

of

fractures

occurred

in

weak

and

hard

rock

martrix

and

bedding

plane

have

been

revealed,

and

therefore,

the

failure

mechanism

of

composite

rock

has

been

clarified

in

the

triaxial

loading

test.

The

results

have

shown

that

the

cohesion

first

decreases

to

a

minimum

at ^=60°,收稿日期：2019-05-11 责任编辑：曹胜根基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2014CB046905):贵州省科技计划项日(黔科合支撑〔2019) 2882号)：贵州省教育厅青年科技人才成

长项目(黔教合KY字〔2017〕219)作者简介：程建龙(1989—),男，黑龙江省伊春市人，讲师，工学博士，从事深部岩石力学与地下工程方面的研究。E-mail：

chengjl2018@

Tel: ************

第6期程建龙等：复合岩层强度特性及破坏机理三轴加载试验研究1247and

then

increases

in

the

process

of

9

increasing

from 0°

to 90°.

The

change

law

is

basically

consistent

with

that

of

peak

strength.

But

the

internal

friction

angle

presents

a

decreasing

trend.

The

anisotropy

ra­tio

of

peak

strength

decreases

and

the

strength

for

the

specimens (0=0°

and ^=90°)

trend

to

equalize

with

the

increasing

confining

pressure.

Under

lower

confining

pressure,

the

specimens (0=〇o-3〇o)

is

subjected

to

shear

failure

in

weak

rock

layers

and

there

is

an

angle

between

fracture

direction

and

the

loading

direction.

However,

tensile

splitting

failure

occurs

in

the

hard

rock

layers

and

the

crack

direction

is

mostly

parallel

to

the

loading

direction

and

generally

normally

distributed.

The

number

of

intermittent

cracks

in

hard

rock

matrix

decreases

gradually

with

the

increase

of

confining

words

composite

rock；

triaxial

compression

test；

strength

behavior；

failure

mechanism；

crack

characteristics巷道掘进常会遇到由两种或两种以上岩层组

成的地层，在这种地层中幵挖孔洞，洞周可以看作

切向应力与不同层理面方向的组合。因此，准确判

断孔洞围岩及内部变形特征和破坏位置需要深入

理解层理面方向和软硬岩层非均匀变形对复合岩

层强度特性及破坏机理的影响+3]。尽管室内大尺寸铺设不同力学性能的层状材

料模拟煤层开采和巷道开挖的物理模型试验已经

做了大量的研究工作[4_5]，但由于复合岩层现场取样

困难，室内制备也需要耗费大量人力和时间，因此

关于室内复合岩层试样力学特性的研究相对较少。

张贵民等[6]探索了复合岩层类岩石材料的制作模

具，研究了复合岩层在单轴加载下的强度特性和破

坏模式。殷鹏飞[7]探索了复合岩层类岩石材料的制

作模具，研究了软硬厚度为1 : 1，1 : 2和2 :

I等

3种条件下的复合岩层试样在单轴抗压条件下的强

度特征及破坏模式，并用颗粒流PFC程序模拟了复

合岩层在单轴加载下裂纹起裂扩展及贯通的演化

过程，分析了内部应力场和位移场分布特征。Cheng

等[8]采用声发射和三维数字照相相关技术对复合岩

层试样进行了单轴加载试验，揭示了复合岩层试样

在加载过程中的声发射和真实应变场演化特征。梁

正召等[9]采用RFPA2D模拟了 7个倾角复合岩层试

样在单轴加载过程中的渐进破坏过程，并揭不了损

伤过程中软硬岩层的应力场和位移场特征。熊良宵

等[|()]对绿片岩和大理岩互层岩体进行了单轴压缩

蠕变的数值模拟，研究了两种岩石的单轴抗压强度

比和大理岩夹层体积含量对复合岩层试样破坏强

度影响。郭志华等[11]采用？1^1(：31)模拟了不同软硬

间隔厚度组合体的三轴加载特性，研究了等效弹性

模量与软弱岩层倾角的关系。王安明等[12]对含泥岩

夹层的层状盐岩力学和变形特性进行了有限元分复合岩层试样制备选用长方体塑料模具，内部

净尺寸为150mmX150mmX550mm。硬岩和软岩

浆料的初凝时间分别为10

min和50

min,因此需要

连续浇筑15

h以上才能制备一个试块。浇筑时两种析，研究了单三轴加载下的应力场和位移场分布特

征。Tien[1：M4】研究了复合岩层试样在单三轴加载试

验中的破坏过程和破裂模式，将不同围压下复合岩

层试样的破裂模式分为沿弱面滑移破坏和非沿弱

面滑移破坏两大类，对复合岩层试样的力学特性和

破坏机理做了较为深入和系统的研究。尽管前人在复合岩层方面做了大量的研究工

作，但是关于复合岩层在三轴加载条件下的强度变

形特性和破坏机理却没有被充分揭示，因此本文主

要研究复合岩层试样在三轴加载条件下的力学响

应，重点分析复合岩层试样的强度各向异性特征、

破坏模式和裂纹方向分布特征。1材料选择依据与试样制备目前关于复合岩层的概念没有严格的定义。由

于缺少目标原型，配制过程中并未考虑相似理论。

综合考虑实验室配制软硬岩的强度范围和取芯难

易程度，本文主要以工程岩体分级标准[15]中岩石的

坚硬程度作为制样依据。初步拟定复合岩层中软硬

岩强度分别约为20

MPa和60

MPa。软硬岩的物理

力学参数见表1。特别注意，本文中软岩与硬岩是

相对的概念，仅仅是为了区分2种不同强度的材料。表1 2种材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical properties of two materials岩性软岩硬岩单轴抗压

强度/MPa16.4468.43弹性模

泊松比量/GPa3.6023.690.230.34黏聚力/

MPa内摩擦

密度/

m°)角/(。）(kg.24401 6271 9125.2118.17

1248采矿与安全工程学报第37卷材料间隔交替布置且厚度均设计为丨〇

mm。制作过

程中在软岩中放入80

g黑色墨水予以区分硬岩。成

型的试块使用直径为50

mm的钻头按照图1所示的

钻取方法钻取间隔为15°的试样，这里将加载方向

与层理面法向之间的夹角定义为0。然后将钻取后

的试样加工制作成必50

mmXZlOO

mm的标准圆柱

形试样，将试样浸水养护至最终强度后进行常规三

轴试验。率为5

MPa/min,然后保持围压不变，轴向采用位

移加载方式施加轴向压力，直至试样破坏，加载速

率为 0.2

mm/min。3试验结果分析3.1偏应力应变曲线图2为6K)°〜90°复合岩层试样在不同围压下的

轴向偏应力-应变曲线。可以看出，试样在整个加载

过程中经历了弹性阶段、塑性阶段和峰后残余阶

段。当0从0°增加至60°过程中，弹性阶段末期的

应力水平逐渐降低。随着位移不断加载，七〇°~45°

试样偏应力升高缓慢，经历了很长一段时间的非线

性加载过程，曲线弯曲程度高，尤其是七30°试样

的延性特征最为明显。出现这种现象是因为随着层

理面倾角的增加，软岩的剪切作用逐渐增强，导致

软岩发生了非常显著的剪切变形，这种变形在后文

的破坏模式中清晰可见。而七60°〜90°试样表现出

明显的脆性特征，其中化75°和化90°试样加载过程

中伴随明显的声响，原因是加载过程中软硬岩层在

轴向几乎同时变形，脆性较强的硬岩发生了剪切破

坏，峰后也出现了多次微破裂，因此峰后阶段出现

了多个曲线环。在有围压下#0°〜90°试样的弹性模

量随围压升高而增加的幅度并不大，说明在高围压

下岩石试样己经过充分压密，内部的微裂隙和微孔

洞发生闭合，因此弹性模量增加并不明显。(a) ^=〇°~45° (b) ^=60〇~90〇图1Fig. 1

复合岩层试样的钻取方法（mm)Drilling method for the ^=0°-90° composite specimens2测试系统与测试方法复合岩层常规三轴加载试验使用法国生产的

多功能岩石三轴试验机，围压范围为0~60

MPa,最

大偏压约为400

MPa。试验过程中共设置4个围压，

分别为5, 10, 15, 20

MPa。每个围压下测试7个

不同角度的试样。围压采用力控加载方式，首先以

静水压力状态(£Tl=

o2

o

oo0

cod2/i:2o

0o

o8

o6

o4o

22o扣麵

0o

o8

o6

4

2oo

o

8oo

6

4

2(fto)0 10 20 30 40 50^,/10'3

0 10 20 30 40 50 60 70^,/10'320 406080 10020Vl〇'3

40 60 80(a) ^=0°(b) 0=15。(c) ^=30°(d) ^=45°VI 〇3

(e) ^=60°(f)

9=15°(g) ^=90°图2 (9=0°〜90°试样的轴向偏应力-应变曲线

Fig.2 Axial deviatoric stress-strain curves of ^=0〇-90〇 composite rock specimens3.2层理倾角对强度特性的影响

不同围压下知0°〜90°试样的峰值强度见图3，

由图知，峰值强度随层理面倾角的增加出现先降低后升高的U型趋势，单轴加载时6*=75°试样的峰值

第6期程建龙等：复合岩层强度特性及破坏机理三轴加载试验研究1249强度最低，但在有围压时峰值强度最小值均在

知60°处取得。另外，在有围压的作用下，0=75°试

样的峰值强度较单轴抗压强度明显提高，原因是试

样受围压约束，硬岩层逐渐起到稳固的支撑作用。6o

4o

o2o围压/MPa0

o

8o106

o

-20154-15 30 45 60 75 90层理面倾角/〇图3层理面强度对峰值强度的影响

Fig.3 Effect of bedding inclination on the peak strength

and the axial peak strain of composite rock specimens0=0°〜90°试样的黏聚力和内摩擦角见图4。由

图知，0从0°增加至90°过程中，黏聚力先降低后

升高并在6^60°取得最小值，其变化规律与峰值强

度的变化规律基本一致，原因是层理面由水平位置

变换成倾斜状态时，更有利于材料发生剪切破坏，

导致试样的黏聚力整体下降。当0从60°增加至90°

时，材料发生剪切滑移的趋势被遏制，硬岩逐渐起

到支撑作用，而且硬岩的抗剪能力明显高于软岩。$避：15图4层理面倾角对黏聚力和内摩擦角的影响

Fig.4 Effect of bedding inclination on the cohesion

and friction of ^=0°-90° composite rock specimens而对于内摩擦角，当0从0°增加至90°时，内

摩擦角总体呈现降低趋势，这是因为^0°〜30°试样

在加载过程中软岩横向应变的不断增加使得软岩

层逐渐向外膨胀挤出，从而导致硬岩层中出现拉应

力。随着膨胀的继续发展，硬岩层中出现了许多肉

眼可见且具有一定裂隙宽度的拉伸劈裂裂纹。在达

到峰值点前时，曲线经历了很长一段时间的塑性过

程，变形过程中软岩和硬岩产生了多个结构性破坏

块体，以至于在加载过程中产生了强烈的摩擦作用

才达到峰值强度。七45°~75°试样滑动摩擦的剧烈程

度较0=〇°~3〇°减弱，原因是软岩和硬岩在分界面处

产生了滑移摩擦运动，其剧烈程度要小于化0°〜30°

试样中的多个间断碎裂结构体，而且，在0从45°增加至75°过程中，软岩基质的剪切变形逐渐减弱,

单纯的层理滑移更占主导地位。对于知90°试样，

在加载过程中软岩和硬岩在轴向保持同步变形，当

达到峰值强度时，由于硬岩强度比软岩高且脆性

强，软硬岩层同时被剪断，试样沿破裂面瞬间产生

滑移(应力应变曲线峰后为脆性应力跌落)，在这过

程中软岩发生类似塑性流动的滑移非常弱，而仅仅

为沿着剪切破坏面共同发生滑移。因此，&90°试

样的内摩擦角比知45°〜75°还要低。由此可知，分

析6»=0°〜90°复合岩层试样的黏聚力和内摩擦角的

变化规律需要结合试样在到达峰值强度时的应力

应变曲线和破裂模式进行综合分析，这样更有利于

理解黏聚力和内摩擦角在抗压试验中的作用。3.3围压对强度特性的影响围压对0=〇°~9〇°试样峰值强度的影响见图

5(a),随着围压的升高，0=75°和0=90°试样的峰值

强度出现明显的非线性特征。当围压在15

MPa以

前，知0°〜30°试样的峰值强度近似可认为是线性增

加；当围压继续增加至20

MPa时，0=0°〜30°试样

的峰值强度也出现非线性增加趋势。可以推断，当

围压继续升高时，峰值强度随围压的非线性变化特

征将会更加明显。而对于0=45°和0=60°试样，在围

压从0

MPa增加至20

MPa的过程中，峰值强度几

乎为线性增长，说明围压在20

MPa以前，围压对

剪切滑移的非线性影响并不明显。考虑到复合岩层

试样的各向异性特征和部分试样的围压与峰值强

度呈非线性特征，这里应用Hoek-Brown准则[16]将

化0〜90°试样的单三轴峰值强度进行非线性回归，

其表达式为：= (WJi(«)<：rc(0)<：I3(9) +

的单轴抗压强度、最大主应力、最小主应力和

Hoek-Brown准则中的参数。每个角度的试样都可

以得出准则中相应的《7_和见表2，拟合结

果见图5(b)。由此可见，Hoek-Brown强度准则可以

较好地预测复合岩层试样在不同围压下的破坏强

度特征。为了消除化0°〜90°试样单轴抗压强度对整体

回归效果的影响，将公式(1)两边同时除以&w即可

得到与单轴抗压强度无关的无量纲标准化公式：n0.5^3(0)ac(e)

ac(e)⑵将表2中求出的每一倾角试样的参数代入

1250采矿与安全工程学报第37卷式(2)中，即可绘制出标准化的Hoek-Brown强度曲

线，见图5(c)。图中随围压升高曲线离得越近，表

明试样的强度各向异性越低，反之随围压升高张口越大，各向异性越明显。由此可知，0=60。和0=75。试样的强度随围压升高差值增大最为显著。表2 6K)°〜90°复合岩层试样Hoek-Brown经验准则中的参数

Table 2 Parameters of the Hoek-Brown criterion for ^=0°-90° composite rock specimense0°18.4938.1415°11.0244.340.971660402030°15.9131.230.9945°9.54323.190.9960°8.5618.930.9775°20.6420.790.9890。10.7962.340.92R20.990 5 10 15 20〇

3/MPa(a)峰值强度(73/MPa(b)

Hoek-Brown强度曲线〇Xey〇c(g)(c)无量纲标准化Hoek-Brown强度曲线图5 (9=0°〜90°复合岩层试样Hoek-Brown强度准则拟合

Fig.5 Result of fitting usd by Hoek-Brown criterion for ^9=0〇-90〇 composite rock specimens#0°〜90°共7个倾角试样在同一围压下峰值强

度的最大值与最小值之比随围压的变化关系见图

6,由图知，在围压从0

MPa增加至20

MPa过程中,

同一围压下峰值强度最大值与最小值的比值从3.45

降低至1.79,说明峰值强度的各向异性随围压的升

高逐渐降低，原因是在侧向围压的约束作用下，层

理面倾角对峰值强度的影响逐渐减弱。同时也考察

了如〇°和化90°仅2个倾角试样在围压升高的过程

中对峰值强度各向异性的影响，可以看出，当围压

从0

MPa增加至20

MPa时，峰值强度最大值与最

小值的比值从1.32降低至1.01，表明当围压逐渐升

高时，知0°和七90°试样峰值强度的差别逐渐减小

并趋于相等。¥1,15|56厂|3.4破坏模式Tien11，#复合岩层在单三轴加载条件下的破

坏模式分为两大类，一类是沿弱面滑移破坏，另一

类是非沿弱面滑移破坏。其中后者又可以进一步细

分为3个亚类，包括沿弱面拉伸劈裂破坏(TD模式)、

与弱面交叉的拉伸破坏(TM模式)和与弱面交叉的

滑移破坏(SM模式)。图7为0=0°〜90°试样在不同围压下的破坏模式

及分类。较低围压下(巧=〇〜5 MPa),

6»=0°试样的破

坏模式为劈裂破坏，试样中软硬岩层基质沿圆柱表

面出现了大量纵向裂纹，破坏程度剧烈。试样中软

岩的横向变形用肉眼观察并不明显。随着围压的不

断升高〇73=1〇，15,

20 MPa),破坏模式转变为与层

理面斜交的剪切破坏，主裂纹为剪切裂纹。而且，

软岩向外膨胀的程度要高于^=5

MPa。在软岩膨胀

的过程中，会对相邻硬岩层产生拉伸作用。但是，

试样中除了主剪切裂纹破裂面，软岩和硬岩基质中

出现的裂纹非常少，原因是尽管软岩在高围压下流

塑性更为明显，但在较高围压的约束作用下，横向

变形受到了极大的约束，在软岩横向变形逐渐增加

Fig.6 Effect of confining pressure on the strength anisotropy。06=/9^0=/9^00

。图6围压对峰值强度各向异性比的影响

的过程中产生的拉伸作用不足以导致硬岩发生劈

裂破坏。

第6期程建龙等：复合岩层强度特性及破坏机理5轴加载试验研究1251图7不同围压下(9=0°〜90°复合岩层试样的破坏模式(观察时请放大视图）Fig.7 Failure mode of ^=0°-90° composite rock specimens under different confining pressure

1252采矿与安全工程学报第37卷0=15°试样当围压为0〜15

MPa时的破坏模式

为与弱面斜交的劈裂破坏，试样中软岩向外膨胀导

致试样表面出现凹凸不平的波浪形，沿试样圆周表

面，硬岩中也出现了许多间断的纵向拉伸裂纹。当

围压增加至20

MPa时，破坏模式为与弱面交叉的

滑移破坏。同0=0°试样相比，0=15°试样受层理面

倾角的影响，软岩的剪切作用增强，促使软岩的横

向变形比0=0°更为明显，图中表现为在(t3=5

MPa

的条件下试样中就已经出现用肉眼可见的软岩由

于膨胀导致的凸起。而在〜20

MPa情况下，

软岩的膨胀变形也要比0=0°试样明显。0=30°试样

当围压<73=0〜20

MPa时的破坏模式均表现为与弱面

斜交的拉伸劈裂破坏。同6>=0°〜15°复合岩层试样相

比，受层理面倾角影响，软岩的横向变形更为显著。0=45°〜75°试样在不同围压下的破坏模式均为

沿节理面产生滑移破坏。当围压

MPa时，

0=45°试样中只有一条剪切滑移破坏面，且在滑移

面附近的软岩中出现了明显的剪切滑移带，一些硬

岩中出现少量拉伸裂纹。当围压fr3=15~20MPa时，

试样中出现2条主滑移破坏面，其附近的软岩基质

中没有发现明显的剪切滑移裂纹，但软岩已经发生

显著的塑性变形，试样在形态上表现为弯曲的圆柱

形。对于0=60°试样，当<73=〇~15MPa时，破坏面

附近软岩基质的变形并不明显，而随着围岩的继续

升高，试样受到的约束逐渐增强，破坏面附近软岩

基质的变形逐渐明显，原因是在较高围压下，限制

了试样发生滑移的趋势，轴向压力的增加致使层理

面上的正应力增加，加强了对软岩的挤压作用。0=90°试样在单轴加载下的破坏模式为沿节理

面拉伸劈裂破坏，而在围压内=5〜20

MPa下，破裂

模式主要是与弱面交叉的剪切破坏。值得注意的

是，在有围压的条件下0=90°所有试样的破坏面的

倾向均与层理面的走向垂直，而与层理面走向斜交

或者平行的破坏面均没有发生。3.5裂纹特征统计分析为了进一步揭示0=0。〜90。试样的破坏特征，对

围压<73=5〜20

MPa

F试样表面每一■层软岩和硬岩中

的裂纹(即基质中的裂纹)和层理面活化裂纹进行了

角度测量和个数统计。在测量裂纹方向之前，先用

视频录像机360°缓慢旋转拍摄试样表面裂纹图

像，然后利用Photoshop软件进行准确的角度测量。

测量角度定义为从水平方向逆时针旋转至裂纹位

置，见图8(a)。因此，基质中裂纹角度的测量范围为0°〜180°。层理面活化的角度被认为是整个层理

面的角度，测量范围为0~90°。因此，裂纹与轴向

加载方向的角度等于测量的裂纹角度减去90°的绝

对值。0=〇°~9〇°试样的裂纹测量结果见图8(b)~(h)，

由图知，6»=0°〜30°试样硬岩中的裂纹方向大多平行

于加载方向且大致呈正态分布，而软岩中裂纹方向

多与加载方向有一夹角，由此说明在加载过程中软

岩发生了剪切破坏，而硬岩发生了张拉劈裂破坏。

而且围压越低，硬岩中的裂纹数越多。0=45°〜75°

试样，尽管这3个角度试样的破坏模式均为沿节理

面滑移破坏，但(9=60°试样软岩和硬岩基质中没有

出现裂纹，这也说明0=60°试样是沿节理面几乎发

生纯剪切破坏，其力学强度参数可以近似认为是节

理面的强度参数。另外，6»=45°和0=75°试样各个围

压下在硬岩层中都观察到了少量的具有一定开度

的拉伸裂纹。0=75°试样在软岩基质中没有出现明

显的裂纹，但硬岩中出现了少量的劈裂裂纹。0=90°

试样，硬岩裂纹数比软岩多，而且不同围压下均出

现了1个未贯通的层理面活化裂纹，说明在加载过

程中，尽管有围压的约束，但仍会有沿节理面张拉

劈裂破坏的趋势。综上所述，尽管复合岩层峰值强

度与均质岩石基质组成的层状岩体的强度变化规

律类似(随层理倾角呈U型)，数学模型和力学模型

也都可以近似简化为宏观各向同性介质，但是两者

的破坏机理并不相同，尤其是0=0°〜45°试样。4讨论需特别指出的是，本文也使用环向传感器进行

了环向变形和体积变形的测量，但复合岩层试样中

软硬岩层的不均勻变形导致环向应变的测量并不

准确。一方面由于软岩的强度过低，加载过程中软

岩不断向外膨胀，在高围压下甚至发生类似塑性流

动挤出，而硬岩环向变形相对较小，由此导致在加

载过程中整个试样表面凹凸不平，环向传感器的铁

圈周边不能与试样发生充分接触，有时会存在明显

空隙，这是不能测准的最重要原因；对于七0°试样，

如果环向传感器的测量位置放置在硬岩或软岩层

上，则测量的分别是硬岩和软岩的环向变形；如果

加载前恰好放置于软岩和硬岩的分界面处，则当软

岩变形时会向外凸出，将传感器撑起导致与硬岩层

发生分离，影响环向应变的测量结果。对于

扣15°〜75°试样，当传感器位于圆柱形试样的不同位

置也将对环向应变的测量产生影响。七90°试样尽

第6期程建龙等：复合岩层强度特性及破坏机理三轴加载试验研究1253管软岩和硬岩在轴向方向同步变形，试验过程中软

岩并没有出现明显的挤出现象，但在环向方向仍有

一少部分软岩与硬岩的变形不一致。因此，仅采用环向传感器不能对复合岩层试样的环向位移进行

准确测量，计算出来的体积应变也不准确可靠。由

此可见，研究复合岩层的变形特性显得更有难度。ii50 60 70 80 90 100 110 120 130 140=15 MPa50 60 70 80 90 100 110 120 130 14060 70 80 90 100

裂纹方向/(°)110 120 130 140(a)裂隙测量方法(b) 0=0°现软岩II□硬岩■层理面活化

40 50

3厂2

IrP3 =20 MParur=15 MPa60 70 80 90 100 110 120 13050 60 70 80 90 100 110 120 130^ ffj=10MPa£73=10MPa—1 ,-r-d80 90 100 110 120 13050 60 70 80 90 100 110 120 130-50 60 70

AJ7]80 90

裂纹方向/(°)〇3 =5 MPa〇 3 =5 MPa■、100 110 120 130V50 60 70 80 90 100 110 120 130 140裂纹方向/(°)Wr〇4050 60 70 80 90 100 110 120 130裂纹方向(c) (9=15。D软岩C□硬岩■层理面活化

■

〇j=20 MPa(d) 6>=30°M软岩匚]硬岩■层理面活化

■

〇

3 =20 MPa(e) <9=45°〇4050 60 70 80 90 100 110 120 13020 40 60 80 100 120 140 160 180

兹2°4050 60 70 80 90 100 110 120 130〇i =15 MPa20 40 60 80 100 120 140 160 180

(73=10MPa〇4050 60 70 80 90 100 110 .fil.20 40 60 80 100 120 140 160 180

〇 3 =5 MPa〇 j =5 MPan i i i i i i i i120 40 60 80 100 120 140 160 180裂纹方向/(°)n, .乂fiiliivj .20 40 60 80 100 120 140 160裂纹方向/(°)40 50 60 70 80 90 100 110 120 130裂纹方向/(°)(f) (9=60° (g) <9=75。(h) (9=90°图8复合岩层试样中裂纹方向及个数统计Fig. 8 Fracture direction for each layer of composite rock specimen

1254采矿与安全工程学报第37卷5结论1)

[6]

张桂民，李银平，杨长来，等.软硬互层盐岩变形破损

物理模拟试验研究[■!].岩石力学与工程学报，2012,

)： 1813-1820.本文探索了快速制备复合岩层试样(试块)

31(9的方法，为后续研究复合岩层层厚、倾角、软硬材

料参数对复合岩层破坏特征的影响提供了试验基

础，也可为锚固体试验、锚杆拉拔试验及软弱夹层

的试验研究提供有益支持。2) 在0从0°增加至90°过程中，黏聚力先降低

[7ZHANG Guimin, LIYinping, YANG Changlai, etal.

Physical simulation of deformation and failure mechanism

of soft and hard interbedded salt rocks[J]. Chinese Journal

of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(9)：1813-1820.]

后升高并在化60°取得最小值，其变化规律与峰值

殷鹏飞.层状复合岩石试样力学特性单轴压缩试验与颗

粒流模拟研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.强度的变化规律基本一致，当0从0°增加至90°时，

内摩擦角总体呈现降低趋势。化0°〜90°试样的峰值

强度随围压升高强度各向异性比降低，且七0°和

0=90°试样的峰值强度随围压升高逐渐趋于相等。3) 按照主破坏面特征，0=0°〜30°试样的破坏模

式主要为低围压下与弱面交叉的拉伸劈裂破坏和

高围压下与弱面交叉的滑移破坏，知45°〜75°试样的

破坏模式主要为沿弱面滑移破坏，知90°试样的破

坏模式主要为低围压下沿弱面张拉劈裂破坏和高

围压下与弱面交叉的剪切破坏。4) 6»=0°〜30°试样硬岩中的裂纹方向大多平行

于加载方向且大致呈正态分布，而软岩中裂纹方向

多与加载方向有一夹角，由此说明在加载过程中软

岩发生了剪切破坏，而硬岩发生了张拉劈裂破坏。

在围压从5

MPa增加至20

MPa时，硬岩基质中的

间断裂纹数量逐渐减少。5) 采用环向传感器不能对复合岩层试样的环

向位移进行准确测量，计算出来的体积应变也不准

确可靠。参考文献：[1] ZHANG J. Borehole stability analysis accounting for

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