Page 11 - 水利学报2025年第56卷第3期

从图 ９（ａ）可以看出随着试样层 理倾角 的增大，试 件的 断裂 能总 体 保 持逐 渐 减 小的 趋势。以高
度为 ４０ｍｍ试件为例，随着层理倾角从 ０°增加到 ９０°，试件断裂能 Ｇ 平均值由 ８２．００Ｎ?ｍｍ下降到
Ｆ
４７．６９Ｎ?ｍｍ，表现出明显的各向异性特征。究其原因主要是当层理倾角较小时，裂纹主要以贯穿岩石
基体和层理弱面方式扩展，随着层理倾角不断增大，裂纹渐渐以沿层理弱面平直扩展为主导。此时岩
石抵抗开裂破坏的能力较弱，裂纹扩展阻力较小，因此断裂过程需要吸收的能量较小。
从图 ９（ｂ）可以看出随着试样高度的增大，试件断裂能测试值总体保持不断增大的趋势。以 ０°层
理倾角为例，高度为 ２０、４０ｍｍ试样的断裂能均值比 １０ｍｍ试样分别增加了 １１．１５和 ２０．５６Ｎ?ｍ，表
明大尺寸试样的裂缝扩展需要吸收更多能量。究其原因主要是大尺寸试件预制裂纹顶部的裂纹扩展区
域面积较大，有利于试样内部微裂纹的扩展，裂纹扩展路径增大，试样断裂能越大。
３．５ 裂纹扩展路径与破坏机制 对于各向同性材料，Ⅰ型断裂裂纹扩展路径基本为直线，方向由裂
纹尖端指向加载点 ［４１ － ４２］ 。然而，在砂岩这 种含有层 理 的岩 石中，裂 纹 由 于受 到 层 理倾 角影 响，扩
展路径表现出明显的各向异性特征。由于不同高度下试样破坏形态基本一致，图 １０（ａ）给出了本次
试验不同层理倾角下试样的典型破坏形态。不难看出，当层理倾角为 ０°时，裂纹在张拉作用下基本
从预制裂缝尖端向加载点处方向延伸，中途会有些许偏向层理面的扩展过程，裂纹边缘粗糙，试样
以拉伸破坏为主；当层理倾角为 ３０°时，裂纹会先沿着层理面滑移扩展小段距离，随后偏离层理面
向加载点位置靠拢，此时材料发生以张拉裂纹为主导 的 拉 － 剪 耦合 破 坏；当 层 理倾 角 为 ６０°时，裂
纹沿着层理面扩展并偏离加载点位置，主要发生剪切破坏；当层理倾角为 ９０°时，裂纹自预制裂缝
尖端沿着层理面延伸至加载点，发生张拉破坏。图 １０（ｂ）为李 斌等 ［２５］ 开 展 的 层理 砂 岩 试验破坏形
态图，与本次试验相 比 两 者 的 断 裂 路 径 基 本 一 致，其 中 对 应 层 理 倾 角 ３０°的 破 坏 路 径 存 在 一 定 偏
差，这是由于两者层理面与基质强度不同导致的。本次试验砂岩的层理面强度较基质层弱，裂纹从
尖端扩展时突破层理面所需能量低于基质层，导致在 ３０°倾角下先沿层理面方向扩展并向加载点位
置靠拢。
综上，层理岩石破坏形态表现出明显的各向异性，这是由于裂纹的宏观扩展实际上是由无数条微
观裂纹的起裂形成的。根据最大周向拉应力理论，脆性断裂裂纹在垂直于该力的平面内扩展。由于层
理和砂岩基质的强度不同，同时受到层理倾斜角度的影响，试样的弹性对称轴位置不断发生改变。这
就导致新萌生的裂纹尖端的应力状态时刻发生变化，使得最大周向拉应力方向发生偏移，最终影响了
宏观裂纹的发展方向，故而表现出各向异性特征 ［４１，４３］ 。

图 １０ 不同层理倾角试样典型破坏形态

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