王桂馨,余偉健,2*

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

隨著資源開采及基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,地下開挖及開采越來越向復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境發(fā)展,尤其是深部開采時(shí)頻繁會(huì)遇到地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的巖體.一般來講,巖體的力學(xué)特性主要由巖石強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度等因素決定,通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),在一定的地質(zhì)條件下裂隙是影響巖體力學(xué)強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素.由于巖石發(fā)生變形和破壞是損傷和裂紋交互擴(kuò)展的過程,會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性,且力學(xué)特性及其破壞機(jī)制均存在著一定程度的不確定性[1-4],在裂紋貫通后進(jìn)入非連續(xù)狀態(tài),其力學(xué)特性不可逆,因此絕大多數(shù)地下工程失穩(wěn)破壞都與其巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育、擴(kuò)展密切相關(guān).

裂隙巖體的工程實(shí)踐表明,針對(duì)地下工程裂隙的分布以及擴(kuò)展機(jī)理展開研究,對(duì)成巷過程中的圍巖控制設(shè)計(jì)有著很重要的理論指導(dǎo)意義.在研究裂隙巖體工程性質(zhì)的初期階段,L Muller教授認(rèn)為對(duì)于巖體變形,90%～95%的變形其實(shí)不源于單元塊體的變形,而是產(chǎn)生于裂隙.隨著圍巖穩(wěn)定性分析的實(shí)用價(jià)值逐漸被國(guó)內(nèi)外地下工程界所公認(rèn),人們對(duì)裂隙巖體的認(rèn)識(shí)也不斷深入,王家來和左宏偉[5]利用巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并建立了裂隙擴(kuò)展能量方程,從而分析巖石破裂過程中的裂隙發(fā)育機(jī)理.由于裂隙分布的不均勻以及幾何參數(shù)的隨機(jī)性,郭少華[6]利用巖石類材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析,探討了巖石壓縮斷裂時(shí)次生裂紋的產(chǎn)生機(jī)理.因高地應(yīng)力作用下,巖體內(nèi)各類型裂紋間會(huì)相互搭接、貫通,從而導(dǎo)致巖體損傷甚至破裂,A Bobet等[7-8]對(duì)翼裂紋以及次生裂紋的起裂和擴(kuò)展機(jī)制展開分析研究,歸納總結(jié)了裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律.由于數(shù)值模擬分析在巖體力學(xué)與工程領(lǐng)域的認(rèn)可度一步步提升從而得以較高速的發(fā)展,王士民和劉豐軍等[9]采用數(shù)值模擬對(duì)預(yù)制裂紋脆性巖石的破壞規(guī)律開展了初步研究,分析了裂紋對(duì)巖石破壞的影響機(jī)制;朱紅光和謝和平等[10]借助CT掃描獲取單軸壓縮時(shí)巖石內(nèi)部的密度分布信息,分析研究了微裂隙演化效應(yīng).由于深埋巷道中裂隙圍巖體與支護(hù)體系是一個(gè)高度非線性、不斷變化的復(fù)雜系統(tǒng),余偉健和李可等[11]利用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)在FLAC3D對(duì)裂隙巖體進(jìn)行等比例重構(gòu)還原,分析了常規(guī)支護(hù)下裂隙巷道圍巖的破裂特征;劉華[12]運(yùn)用離散元方法中的BBM模型[13]模擬并分析了含裂隙類巖體在加卸載過程中裂隙的擴(kuò)展模式以及破裂機(jī)理.

裂隙巖體是相對(duì)比較復(fù)雜的工程地質(zhì)體,多數(shù)學(xué)者已針對(duì)裂隙巖體開展了大量試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析,本文嘗試從巖體力學(xué)角度出發(fā),利用紅砂巖材料進(jìn)行單軸加載試驗(yàn),細(xì)致分析裂隙巖體的力學(xué)特性、了解巖體的破壞過程以及多類型裂紋貫通擴(kuò)展規(guī)律,在完善復(fù)雜巖體基礎(chǔ)性研究的基礎(chǔ)上彌補(bǔ)了以往忽略脆性指標(biāo)的研究固有思路,因而更為準(zhǔn)確的檢測(cè)巖體裂紋并進(jìn)一步總結(jié)裂隙巖體的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制.

1 試件制備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

為深入驗(yàn)證巖體裂紋擴(kuò)展與脆性特征之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性,把裂隙巖體中極具代表性的砂巖作為試件,試驗(yàn)所用巖樣本選用紅砂巖,試件尺寸:底部直徑×高=50 mm×100 mm,預(yù)制裂隙傾角固定為45°,裂縫長(zhǎng)度為12 mm,裂隙張開度為1.0 mm.分別預(yù)制無縫、單縫、平行雙縫、平行三縫這4種不同類型的紅砂巖巖樣,預(yù)制裂隙布置及試件尺寸示意圖如圖1所示,裂縫統(tǒng)一布置在試件的中心區(qū)域,其中α為預(yù)制裂隙與水平方向的夾角.同等預(yù)置類型每種條件下制備4個(gè)砂巖試件,共計(jì)16個(gè)試件,取每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行相關(guān)研究分析.

圖1 紅砂巖試件裂隙布置及尺寸

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

采用RYL-600微機(jī)控制巖石剪切流變儀對(duì)4組不同預(yù)處理的裂隙巖石試樣進(jìn)行常規(guī)的單軸加載試驗(yàn)(見圖2).單軸壓縮試驗(yàn)加載時(shí)以軸向荷載作為控制指標(biāo),以100 N/s的速度對(duì)4組巖樣分別加載直至破壞,記錄試驗(yàn)過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖2 試樣加載

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)此類巖石在單軸壓縮下的強(qiáng)度及變形特征進(jìn)行分析,利用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)所得的軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和不同預(yù)制條件下裂紋擴(kuò)展演化圖相結(jié)合,分析含貫通性裂隙巖體的力學(xué)特性以及裂紋的擴(kuò)展貫通機(jī)理,試驗(yàn)方法大致流程如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)方法流程

2 裂隙巖體力學(xué)特性分析

2.1 紅砂巖單軸壓縮變形特征分析

圖4為含不同預(yù)制裂隙數(shù)量的試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.分析圖4曲線可知:在一定裂隙傾角下,完整試件的單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到23 MPa,其彈性模量在達(dá)到峰值前一直處于較穩(wěn)定狀態(tài);對(duì)于裂隙巖體而言,峰前彈性模量隨著加載呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),峰值過后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始呈現(xiàn)較明顯的塑性特征,說明巖體內(nèi)部原有裂紋壓密后新生裂紋開始萌生、擴(kuò)展,其數(shù)值變化往往發(fā)生在起裂點(diǎn)前后.以平行雙裂隙巖樣(圖4 U-2-2-45-Y)為例可看出,加載初期,試樣的主應(yīng)力-應(yīng)變差最大值分布在預(yù)置裂隙中心區(qū)域,預(yù)制裂紋首先損傷且裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展,但應(yīng)力未達(dá)到最大破壞應(yīng)力,到達(dá)第一個(gè)起裂點(diǎn)時(shí),此時(shí)巖樣內(nèi)部微裂隙相對(duì)緩慢且穩(wěn)定的擴(kuò)展;當(dāng)達(dá)到或接近應(yīng)力峰值時(shí),裂紋擴(kuò)展路徑曲折且緊接著到達(dá)第二個(gè)起裂點(diǎn),所受應(yīng)力超過其起裂強(qiáng)度時(shí),裂隙間的相互溝通形成圍巖破裂區(qū),裂紋突然開始加速擴(kuò)展,應(yīng)力集中作用強(qiáng)度增加,隨后應(yīng)力值從17 MPa降到2 MPa,此時(shí),巖體內(nèi)部變形復(fù)雜且大面積產(chǎn)生破裂,預(yù)制裂紋首先損傷發(fā)生剪切破壞,承載能力降低,殘余強(qiáng)度逐漸下降;隨著加載繼續(xù),主應(yīng)力應(yīng)變最大差值處更替為裂隙兩端,裂紋由沿預(yù)制方向延伸到試件上下兩端,直至裂縫徹底貫通,此時(shí)殘余強(qiáng)度基本為零.

圖4 含不同預(yù)制裂隙數(shù)量的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣峰值強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,從曲線趨勢(shì)上可看出, 固定45°裂隙傾角下,當(dāng)預(yù)制裂隙數(shù)量由0條逐漸增加到3條,完整巖石試件與裂隙巖體試件的峰值強(qiáng)度相差明顯;與此同時(shí),與其峰值強(qiáng)度相應(yīng)的應(yīng)變值隨預(yù)制裂隙數(shù)量的增多而減小.說明持續(xù)荷載下裂紋萌生發(fā)育數(shù)量越多,應(yīng)力集中越嚴(yán)重,巖樣強(qiáng)度因此逐漸被削弱.

圖5 預(yù)制巖樣的縫隙條數(shù)對(duì)峰值強(qiáng)度σp的影響

2.2 引入應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行判別

斷裂力學(xué)常建立在構(gòu)件內(nèi)部含有初始缺陷這一前提下,用于研究脆性材料中的裂紋擴(kuò)展機(jī)理,從而歸納出帶裂紋構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.早期的斷裂力學(xué)是基于能量守恒定律和能量釋放觀點(diǎn)所建立的,隨后謝和平和高峰[14]等通過系統(tǒng)研究巖石微觀破裂機(jī)制及裂隙分型擴(kuò)展損傷效應(yīng),開拓出巖石力學(xué)與分形幾何研究的新領(lǐng)域;王志[15]在巖石斷裂特征之上建立最大應(yīng)力強(qiáng)度因子比斷裂準(zhǔn)則,從而進(jìn)一步驗(yàn)證獲取復(fù)雜加載下巖體的斷裂模式.巖體破裂一定程度上是受力過程中微裂紋萌生、擴(kuò)展直至連通巖橋的結(jié)果,在一定力學(xué)效應(yīng)下,含初始裂紋的巖樣產(chǎn)生應(yīng)力集中并發(fā)生在裂紋尖端,裂紋尖端通常會(huì)存在微裂隙形成典型的斷裂過程區(qū)(Fracture Process Zone,FPZ)[16],接連著初始裂紋開始擴(kuò)展，當(dāng)初始裂紋超過一定尺寸范圍,脆性裂紋以較高速度進(jìn)一步延伸擴(kuò)展,直至斷裂.由于存在FPZ,巖體的斷裂行為存在一定的非線性,因此現(xiàn)有的線彈性斷裂理論無法準(zhǔn)確描述復(fù)雜巖性的斷裂行徑[17-18].簡(jiǎn)言之,巖體由于應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)的迥異,堅(jiān)硬圍巖體極大可能先出現(xiàn)翼裂紋(低應(yīng)力條件下)或次生裂紋(高應(yīng)力條件下),巖體不連續(xù)面如何擴(kuò)展與其尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子有著密不可分的聯(lián)系,如目前已有學(xué)者在有限元的基礎(chǔ)上利用奇異單元、邊界配置法等[19-20]來模擬計(jì)算裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象,故可把應(yīng)力強(qiáng)度因子K等作為控制裂紋擴(kuò)展的參照量,進(jìn)而較為實(shí)際地對(duì)巖體失穩(wěn)破裂進(jìn)行合理預(yù)判.

假設(shè)裂紋尖端塑性區(qū)與裂紋長(zhǎng)度及試件寬度相比較小,根據(jù)線彈性理論,可得到不同類型裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)解析表達(dá)式.以張拉型裂紋為例,在如圖6所示的極坐標(biāo)系中,由式(1)[21]可得此裂紋尖端的應(yīng)力表達(dá)式.

(1)

圖6 裂紋尖端極坐標(biāo)

式中:K1為張拉型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子.當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到其臨界值時(shí),裂紋就會(huì)延伸擴(kuò)展最終導(dǎo)致試件斷裂破壞,應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值用斷裂韌度Kc表示,顯然值越大裂紋越不容易擴(kuò)展,即當(dāng)KKc時(shí)裂紋延伸擴(kuò)展.大量研究表明,巖體穩(wěn)定性的差異和破壞的不均勻性往往是各種缺陷相互作用、擴(kuò)展的結(jié)果[22],所以在考慮裂隙巖體內(nèi)部多裂紋相互作用時(shí),引入應(yīng)力強(qiáng)度因子影響系數(shù)K作為評(píng)判裂紋是否擴(kuò)展貫通的參量并結(jié)合裂紋疊加原理,以便于進(jìn)一步分析研究不同裂紋組合相互作用的應(yīng)力特征.

2.3 裂紋擴(kuò)展貫通規(guī)律分析

含裂隙類巖體是地下工程施工經(jīng)常遇到的對(duì)象,巖體破壞的本質(zhì)也是裂隙群的擴(kuò)展演化,通過對(duì)單裂隙的研究發(fā)現(xiàn),其在壓縮荷載下產(chǎn)生于預(yù)制裂隙尖端,首次起裂并沿加載方向擴(kuò)展的裂紋為翼裂紋,如圖7[23]所示. 裂隙擴(kuò)展路徑主要有張拉型翼裂紋擴(kuò)展(產(chǎn)生于預(yù)制裂隙尖端)、張拉型反翼裂紋擴(kuò)展、剪切型翼裂紋擴(kuò)展(與翼裂紋萌生方向相反)、剪切型滑移裂紋擴(kuò)展(沿原預(yù)制方向)[23-24].當(dāng)達(dá)到臨界強(qiáng)度值的翼裂紋沿垂直裂隙平面的擴(kuò)展路徑達(dá)到上限時(shí),次生裂紋開始滋生,且裂隙較外側(cè)的翼裂紋會(huì)在最大拉應(yīng)力作用下繼續(xù)沿最大加載方向擴(kuò)展延伸.

圖7 巖體內(nèi)單裂隙的裂紋擴(kuò)展類型

圖8為裂紋擴(kuò)展演化圖，由圖8可以較清晰地看出:

1)無裂縫的砂巖巖樣在持續(xù)加載作用下呈現(xiàn)出明顯的壓剪破壞,伴隨著加載的進(jìn)行,試樣中只產(chǎn)生近似平行于受力方向的剪切型裂紋，見圖8a.

2)含45°預(yù)置單裂縫的砂巖巖樣隨著持續(xù)的豎向加壓,可以明顯看出張拉型翼裂紋的萌生和擴(kuò)展起初是圍繞裂隙缺陷尖端產(chǎn)生的,在應(yīng)力達(dá)到峰值前裂紋擴(kuò)展相對(duì)穩(wěn)定,隨著后期加載,上下張拉型翼裂紋逐漸向遠(yuǎn)處不斷延伸擴(kuò)展直至連通巖橋,導(dǎo)致試件發(fā)生張拉破壞從而裂隙徹底貫通,從而最終失去承載能力，見圖8b.

3)含45°預(yù)置雙裂縫的砂巖巖樣隨著軸向應(yīng)力的持續(xù)加載,在加載初期階段,原始裂紋兩端首先產(chǎn)生初始翼裂紋;隨后次生裂紋通過不間斷的搭接機(jī)制[25]慢慢連通裂隙L1和L2兩端,翼裂紋開始沿最大加載方向擴(kuò)展;加載后期,靠近原始裂隙兩端產(chǎn)生張拉型翼裂紋,最終試樣由于剪切反翼裂紋和原生裂紋貫通形成剪切帶[26],從而破裂失穩(wěn)，見圖8c.

4)含45°預(yù)置平行三裂縫的砂巖巖樣隨著軸向應(yīng)力的不斷增加,觀察可得,試件先產(chǎn)生張拉型翼裂紋,由于軸向變形的增加,次生裂紋逐漸貫通預(yù)制裂紋,預(yù)置裂隙巖體周圍局部逐漸開始萌生反向翼裂紋并向巖樣端部擴(kuò)展,隨后在巖樣的上方區(qū)域也迅速出現(xiàn)了與軸向荷載近似平行的翼型裂紋,且萌生的新裂紋往往是拉剪復(fù)合型翼裂紋,最后試件由于三條預(yù)制裂隙之間出現(xiàn)“拉貫通”[27],失去其承載能力，見圖8d.

圖8 單軸加載下含45°傾角裂隙砂巖的裂紋擴(kuò)展演化

3 結(jié)論

1)巖石作為復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的復(fù)雜材料,在持續(xù)荷載作用下,含初始裂隙的巖體破壞并不是突然發(fā)生的,歸結(jié)于巖體內(nèi)部原生裂隙的遞進(jìn)式擴(kuò)展加以次生裂隙的滋生,兩者相互作用以此產(chǎn)生“1+1>2”的效應(yīng),從而導(dǎo)致巖體破裂失穩(wěn).

2)對(duì)于裂隙巖體而言,峰前彈性模量隨著加載呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),峰值過后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始呈現(xiàn)較明顯的塑性特征,損傷首先從預(yù)制裂隙處產(chǎn)生,可通過引入裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K作為控制裂紋擴(kuò)展參量,進(jìn)一步分析總結(jié)不同類型裂紋相互組合疊加的應(yīng)力特征.

3)預(yù)制巖體整體破壞主要是由于次生裂紋的大量產(chǎn)生和迅速擴(kuò)展貫通,在45°裂隙傾角下,對(duì)于裂隙巖石試樣,隨著加載的不斷進(jìn)行,主應(yīng)力應(yīng)變最大差值處更替為裂隙兩端,裂紋由起初的沿預(yù)制方向擴(kuò)展更替到向試件上下兩端延伸到試件端部,裂縫因此貫通.