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水 利 学 报

２０２５年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０３ － ０２８７ － １０

层理砂岩的双 Ｋ断裂参数与尺寸效应试验研究

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徐世? ，韩明捷 ，王庆敏 ，刘福深 ２
（１．浙江大学 高性能结构研究所，浙江 杭州 ３１００５８；
２．浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 ３１００５８）

摘要：砂岩作为一种代表性的沉积岩，在隧道开挖和边坡稳定等岩石力学工程问题中较为常见。同时，作为一种
典型的准脆性材料，砂岩的断裂力学性质在工程应用中具有重要的意义。为了研究层理倾角和试样尺寸对砂岩双
Ｋ断裂参数的影响，本文分别设置高度为 １０、２０、４０ｍｍ，层理倾角为 ０°、３０°、６０°和 ９０°的三点弯曲梁试样开
展三点弯曲断裂试验。通过试验获得了完整的宏观响应曲线、断裂参数、破坏模式。结果表明：砂岩的断裂破坏
过程可用双 Ｋ断裂模型进行完整的描述，且层理倾角和试样高度对双 Ｋ断裂参数均具有显著的影响；在试样高度
一定时，随着层理倾角增大，试样峰值荷载、失稳断裂韧度、起裂断裂韧度均减小；而在层理倾角一定时，随着
试样高度增加，试样峰值荷载和失稳断裂韧度增加，但起裂韧度变化不大，这进一步验证了起裂韧度是材料的固
有属性。此外，试样的破坏模式也呈现明显的各向异性特征。随着层理倾角的增大，破坏模式逐渐表现出拉剪混
合的破坏特点。
关键词：砂岩；双 Ｋ断裂模型；层理倾角；试样高度；破坏模式
中图分类号：ＴＵ４５８
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０４７７

１ 研究背景

在地壳岩体中，有近 ２?３的岩体结构为具有特殊层状结构的沉积岩。因其在成岩过程中受到沉积
作用、应力变化以及水文地质等多因素的共同影响，其结构表现出明显的各向异性特征 ［１］ 。砂岩作为
具有代表性的沉积岩 ［２］ ，由于其内部含有大量的层理弱面和微裂纹，在隧道开挖、边坡稳定等相关工
程问题中的断裂行为将会更加复杂 ［３ － ４］ 。对地下岩体而言，裂纹损伤和失稳扩展阶段可作为研究防止
岩体发生破坏的重要阶段 ［５］ 。当 前许 多学 者采用线 弹性断 裂 力 学 （ＬｉｎｅａｒＥｌａｓｔｉｃＦｒａｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，
ＬＥＦＭ）来研究各向异性岩土材料的断裂韧度、断裂能和裂纹扩展路径。结果表明，各向异性岩土材料
的断裂韧度随着层理倾角（层理面与水平方向夹角）从 ０°增长到 ９０°而不断减小 ［６ － ７］ 。当层理倾角大于
６０°时，裂缝偏离初始方向，主要在层理平面扩展 ［８］ 。然而，砂岩作为一种准脆性材料，在断裂过程
中裂尖附近存在不可忽略的断裂过程区（ ＦｒａｃｔｕｒｅＰｒｏｃｅｓｓＺｏｎｅ，ＦＰＺ），基于 ＬＥＦＭ 计算的各向异性岩
土材料的断裂特性具有明显的尺寸效应和形状效应 ［９］ 。ＦＰＺ是指岩土材料在荷载作用下产生的损伤软
化且通常情况下其尺寸不可忽略，而这与 ＬＥＦＭ中对微裂纹发展引起的能量耗散只发生在一个点上 ［９］
的前提相悖。这导致了由于 ＦＰＺ的存在，岩土材料表现出尺寸效应。对于通过小尺寸室内试验获得的
岩土材料断裂参数能否直接表征在实际工程中大尺寸岩土结构的断裂力学性质值得深入研究。因此，深
入研究岩土材料层理面对裂缝起裂、扩展的影响及其尺寸效应对地下岩土工程具有重要的指导意义。
关于非线性断裂模型的研究有很多 ［１０ － １１］ ，目前针对准脆性材料的非线性断裂模型主要有：虚拟裂

收稿日期：２０２４ － ０７ － ２９；网络首发日期：２０２５ － ０２ － ０５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０２０５．０９５８．００２
基金项目：国家自然科学基金重点项目（５２３８００３）
作者简介：徐世?（１９５３ － ），中国科学院院士，博士，教授，博士生导师，主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型
材料与新型结构研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｌｘｕ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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