吳 鈺 任旭華 張繼勛 高懿偉 張志韜

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,南京 210029)

天然巖體內(nèi)部蘊(yùn)含著大量不同種類的微宏觀裂隙,不同工程環(huán)境下的巖體結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展形式、變形響應(yīng)及規(guī)律也不盡相同[1],這很大程度地影響了巖體結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定性.含裂隙巖體的裂紋擴(kuò)展過程十分復(fù)雜,這不僅取決于裂紋尖端應(yīng)力場的分布性質(zhì),還受制于微觀層面破裂的影響,如Bonnet湖區(qū)花崗巖在低圍壓條件下不穩(wěn)定裂紋產(chǎn)生于70%峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)力水平[2],二云英片巖在循環(huán)加卸載作用下細(xì)觀裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)出顯著的各向異性[3].這對微細(xì)觀尺度的裂紋擴(kuò)展形態(tài)、力學(xué)特性及能量積聚與耗散規(guī)律的研究提出了更高的要求.

目前,現(xiàn)有學(xué)者針對裂隙巖體損傷力學(xué)特性的試驗(yàn)研究成果較多,如王輝等[4]對含裂隙試件開展了巴西圓盤試件的劈裂試驗(yàn),得出了層理與預(yù)制裂隙共同作用下巖樣的斷裂特性和破壞機(jī)制.賈東偉等[5]對斷續(xù)三裂隙巖體開展單軸壓縮實(shí)驗(yàn),得到不同中心裂隙傾角下的巖樣損傷劣化模式.然而,與物理實(shí)驗(yàn)相比,數(shù)值模型試驗(yàn)具有成本低廉、結(jié)果快速、可分析性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能針對同一個(gè)巖樣進(jìn)行多次預(yù)制裂隙數(shù)量及傾角的對比試驗(yàn),忽略物理實(shí)驗(yàn)由于巖樣不同造成的誤差,從而保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.馮艷峰等[6]為分析尺寸效應(yīng)對節(jié)理巖體相關(guān)力學(xué)特性的影響,對節(jié)理巖體試件進(jìn)行單軸受壓模擬,分析描述了巖體損傷規(guī)律.E.Hoek[7]建立了基于顆粒分布特性的數(shù)值模型,為高圍壓下巖石拉伸裂縫的遞進(jìn)聯(lián)合等復(fù)雜破裂過程提供了有力支持.徐士良基于連續(xù)損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)損傷理論,提出考慮損傷閾值的巖石損傷本構(gòu)模型[8].上述研究成果豐富了裂隙巖體數(shù)值仿真領(lǐng)域的研究,然而在模擬巖石的非線性變形時(shí)未能從細(xì)觀尺度分析其破壞過程.唐春安教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的RFPA 數(shù)值模擬系統(tǒng)在模擬過程中充分考慮巖石的非均勻性與缺陷的隨機(jī)性,通過改變均質(zhì)度來反映材料非均勻性的大小[9-10],可在微宏觀尺度對巖石損傷全過程進(jìn)行真實(shí)破壞模擬和監(jiān)測.眾多學(xué)者借助RFPA 軟件分析得到了一些極具參考價(jià)值的科研成果,如:黃明利等[11]采用RFPA 軟件模擬了不同均質(zhì)度巖性的巖石在外載作用下的破壞失穩(wěn)過程,通過對比模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了RFPA 模擬巖石損傷結(jié)果的可靠性.杜艷紅等[12]為探究天然貫通節(jié)理對巖體卸載破壞機(jī)制的影響,采用RFPA 軟件對不同圍壓作用下巖石卸載的破壞機(jī)理開展數(shù)值研究,結(jié)果表明試樣的破壞形態(tài)各有差異.Huang等[13]采用數(shù)值模擬方式對含雙裂隙砂巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行裂紋起裂位置及擴(kuò)展方式的驗(yàn)證.上述成果豐富了含裂隙巖石損傷力學(xué)領(lǐng)域的研究,也表明RFPA 在分析巖石細(xì)觀裂紋擴(kuò)展與變形響應(yīng)方面的優(yōu)越性,但普遍設(shè)置的裂隙數(shù)量、裂隙與加載力的方向較為單一,關(guān)于巖體中不同裂隙數(shù)量和不同裂隙傾角的力學(xué)特性、裂紋擴(kuò)展的對比研究仍比較薄弱.

本文依據(jù)錦屏二級水電站引水隧洞深埋巖體(T2b大理巖)的力學(xué)參數(shù),采用RFPA 數(shù)值分析系統(tǒng)反演得到T2b大理巖的模型參數(shù),對不同預(yù)制裂隙數(shù)量、裂隙與加載力方向不同夾角的強(qiáng)度特征、變形特性、裂紋擴(kuò)展過程及聲發(fā)射規(guī)律進(jìn)行分析,對比各因素的影響占比,并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證,揭示了含不同數(shù)量、角度裂隙巖體的受壓力學(xué)特性,以期為實(shí)際工程建設(shè)提供技術(shù)參考.

1 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

1.1 RFPA2D 數(shù)值模擬系統(tǒng)原理

巖體作為一種非連續(xù)、非均質(zhì)材料,內(nèi)部存在大量隨機(jī)分布的微裂紋、孔洞等缺陷,使用宏觀模擬方法將其理想化為均質(zhì)、連續(xù)體的模型難以模擬出其真實(shí)破壞過程.RFPA2D軟件引入了數(shù)學(xué)連續(xù)-物理不連續(xù)的概念,具體表現(xiàn)為當(dāng)某個(gè)單元達(dá)到破壞準(zhǔn)則時(shí)對其進(jìn)行剛度退化處理[14],故其可用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法解決非連續(xù)介質(zhì)問題.基于其能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)有限元軟件難以模擬的巖石細(xì)觀損傷過程,并能更高效準(zhǔn)確地研究巖石破壞機(jī)理,本文采用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

1.2 模型參數(shù)的確定

為了更好地分析巖石單軸受壓作用的破壞過程,巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展行為及變形響應(yīng),本文以T2b大理巖室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)獲取的力學(xué)參數(shù)為依據(jù),大理巖試件寬高分別為50mm 和100mm.單軸抗壓試驗(yàn)參數(shù)來自《錦屏二級水電站引水隧洞巖爆產(chǎn)生機(jī)理規(guī)律及其防治控制措施研究總報(bào)告》,大理巖單軸抗壓試驗(yàn)參數(shù)見表1.

表1 T2b大理巖單軸抗壓試驗(yàn)參數(shù)

借助RFPA2D仿真模擬軟件建立數(shù)值模擬模型(如圖1所示),模型寬高比為1∶2,大小為50mm×100mm,基本單元尺寸為0.5mm,總計(jì)單元數(shù)為100×200.根據(jù)實(shí)際受力在模型頂面施加豎向位移荷載,其位移增量步為0.001mm/step,模型側(cè)部自由,底部邊界固定.

圖1 數(shù)值模型圖

主要通過反演相關(guān)力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量)來達(dá)到與試驗(yàn)結(jié)果的一致[15],并用于后續(xù)的仿真模擬分析.抗壓強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果均值為141.778MPa,彈性模量為50.5908GPa,通過大量調(diào)試和計(jì)算,得到了一組與抗壓強(qiáng)度均值和彈性模量均值最為接近的數(shù)值模型力學(xué)參數(shù),見表2.

表2 巖石數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)

模擬得到的巖石受壓強(qiáng)度為143.364MPa,彈性模量為50.62GPa,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)測曲線(選取峰值強(qiáng)度為135.927MPa的曲線)的對比如圖2所示.

圖2 物理試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)擬合曲線圖

從圖2可看出,模擬得到的曲線與實(shí)測曲線的契合度較高,峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變都較為接近,因此認(rèn)定采用表2參數(shù)得到的仿真巖石可以模擬實(shí)測巖石.

1.3 數(shù)值試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)地山體運(yùn)動(dòng)活躍,巖石節(jié)理裂隙復(fù)雜,故不同類型裂隙及不同預(yù)制傾角裂隙受壓后的力學(xué)特性參數(shù)有顯著差異.基于此,設(shè)計(jì)兩種類型裂隙巖石(單裂隙和雙裂隙),考慮到現(xiàn)實(shí)巖石裂隙與其所受作用力方向各異,本文設(shè)計(jì)了7種裂隙傾角(裂隙與加載方向的夾角),分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°,在豎向作用力下進(jìn)行模擬分析,研究常規(guī)單軸壓縮下單、雙裂隙及裂隙傾角對巖石受壓的力學(xué)及變形響應(yīng).數(shù)值試驗(yàn)采用圖1模型,分為單裂隙和雙裂隙2組.裂隙長度為20mm,裂隙間距為20mm,單裂隙巖樣的裂縫中心及雙裂隙的旋轉(zhuǎn)中心位于巖樣中心.選取單、雙裂隙巖樣(單裂隙0°與雙裂隙30°各一組為例,如圖3所示.

圖3 含裂隙巖樣模擬試驗(yàn)圖

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度特征

2.1.1 單裂隙巖石強(qiáng)度特征

單軸壓縮作用下不同裂隙傾角巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示.由圖4可知,7種傾角的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢相似,前半部分呈線性關(guān)系,即線彈性階段,不同裂隙傾角下的斜率不同,隨角度增加斜率增加,當(dāng)裂隙與加載力垂直時(shí)(即為水平裂隙)斜率最大.線彈性階段結(jié)束后進(jìn)入小幅振蕩,但大體上呈上升趨勢,此時(shí)巖樣裂隙軟弱區(qū)的剪切變形一直累積,達(dá)到峰值后巖石試樣發(fā)生脆性破壞,應(yīng)力迅速大幅下降至殘余強(qiáng)度.通過對比不同預(yù)制傾角的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,裂隙傾角越大,第一次應(yīng)力降幅越大,隨后第二次應(yīng)力降幅較小,達(dá)到的殘余應(yīng)力越大.

圖4 單裂隙全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4可知,單裂隙巖樣在達(dá)到極限強(qiáng)度后發(fā)生多次應(yīng)力釋放,一方面體現(xiàn)巖樣的物理脆性,另一方面表明裂隙在巖樣內(nèi)部延伸擴(kuò)展.通過對比模擬結(jié)果與類似單裂隙巖樣實(shí)驗(yàn)[16]研究來驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性.文獻(xiàn)[16]鉆取雪峰山隧道砂板巖巖樣進(jìn)行水平層理與垂直層理(即0°和90°)2組試驗(yàn),試件尺寸為50mm×100mm.當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí),曲線在峰后呈迅速軟化特征,達(dá)峰值前的軸向應(yīng)變與傾角為90°相比明顯增大;當(dāng)傾角為90°即裂隙方向與受力方向平行時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為陡直,在單軸試驗(yàn)中傾角90°的抗壓強(qiáng)度比傾角為0°時(shí)約大20%.文獻(xiàn)[17]通過改變加載速率對含不同傾角的單裂隙試件進(jìn)行試驗(yàn),在相同加載速率的條件下,也得出了曲線斜率與裂隙傾角呈正相關(guān)的結(jié)論.

2.1.2 雙裂隙巖石強(qiáng)度特征

預(yù)制雙裂隙巖樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線也可分為3個(gè)階段,即線彈性階段、損傷階段、殘余階段.在峰前,各傾角巖樣均保持較好的連續(xù)性,隨著外部荷載的增大,巖樣內(nèi)部出現(xiàn)損傷,伴隨少量應(yīng)力釋放.達(dá)到峰值強(qiáng)度后應(yīng)變能大幅釋放,巖樣內(nèi)部失穩(wěn),逐漸失去承載能力.由圖5可知,巖樣達(dá)到峰值強(qiáng)度的時(shí)間與傾角呈正相關(guān).這反映了裂隙方向與加載方向越趨于一致,巖樣越不易失穩(wěn).此外,隨傾角增大,巖樣應(yīng)力降的頻度下降,幅度卻趨于明顯.說明當(dāng)裂隙與加載方向趨于一致時(shí),巖樣的破碎程度下降,應(yīng)力下降達(dá)到穩(wěn)定后的殘余強(qiáng)度越高.通過對比圖4與圖5,雙裂隙的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線彈性階段的斜率相對小,說明巖樣的峰值強(qiáng)度略低于單裂隙巖樣的峰值強(qiáng)度.原因在于雙裂隙更為破碎,強(qiáng)度衰減系數(shù)相對小,即應(yīng)力降幅相對不明顯.

圖5 雙裂隙全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 裂隙擴(kuò)展規(guī)律

2.2.1 單裂隙巖石裂隙擴(kuò)展

裂隙的存在必然削弱巖樣的強(qiáng)度,不同傾角的裂隙存在使得裂隙擴(kuò)展延伸方式及極限破壞模式表現(xiàn)出顯著的差異性,聲發(fā)射特征也有各自的特點(diǎn)[9].聲發(fā)射過程圖中出現(xiàn)紅色圓圈代表該處發(fā)生拉伸破壞,白色圓圈則代表剪切破壞,聲發(fā)射事件的集中和數(shù)量對應(yīng)著能量釋放的快慢與大小,因此結(jié)合聲發(fā)射過程圖可知裂紋的擴(kuò)展原因及破壞機(jī)理.本文選取傾角較小(15°)與傾角較大(60°)兩種典型巖樣的裂紋擴(kuò)展過程,見表3、表4,用于比較傾角與裂紋擴(kuò)展的規(guī)律.

表3 15°單裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展過程及對應(yīng)聲發(fā)射圖

表4 60°單裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展過程及對應(yīng)聲發(fā)射圖

在加載初期,不同傾角單裂隙巖樣均在裂隙尖端應(yīng)力集中處出現(xiàn)剪應(yīng)力增大現(xiàn)象,但均未發(fā)生剪切破壞.隨傾角增大,起始裂點(diǎn)自巖樣中央逐漸向尖端靠攏,主裂紋擴(kuò)展方向均為大主應(yīng)力方向(即加載方向)向加載端部延伸.隨外部荷載的不斷增加,裂紋尖端剪切損傷引起單元應(yīng)力重新分布,并在周圍引起拉應(yīng)力集中,促使周圍單元也逐漸被破壞.此時(shí)產(chǎn)生的裂紋多為張拉裂紋.隨傾角增大,次生裂紋的延伸方式由初始裂紋縱向延伸轉(zhuǎn)為樹杈狀發(fā)散分布,并伴有不同程度的巖樣變形及剝落.

2.2.2 雙裂隙巖石裂隙擴(kuò)展

典型雙裂隙裂紋擴(kuò)展過程見表5和表6.

表5 15°雙裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展過程及對應(yīng)聲發(fā)射圖

表6 60°雙裂隙巖樣裂紋擴(kuò)展過程及對應(yīng)聲發(fā)射圖

預(yù)制雙裂隙在加載初期的破壞模式與預(yù)制單裂隙相似,隨傾角增大,起裂位置由中央移動(dòng)至裂隙尖端.預(yù)制裂縫受壓均發(fā)生“粘合”現(xiàn)象,說明雙裂隙巖樣存在裂隙間的相互影響擴(kuò)展和巖樣內(nèi)部擠壓作用.在裂紋擴(kuò)展初始階段,翼裂紋[16]的延伸方向近似與預(yù)制裂隙相互垂直.隨著外部荷載的增大,翼裂紋不斷擴(kuò)展延伸,見表5.當(dāng)傾角較小(15°)時(shí),雙裂隙間的次生裂紋均相互貫通,且貫通后周圍單元受壓剪切破壞,在預(yù)制裂隙尖端附近形成拉剪裂紋,呈現(xiàn)預(yù)制雙裂隙內(nèi)部貫通、尖端裂紋延伸的破壞形態(tài).由于裂紋延伸方向大致沿加載方向,故外表面并未出現(xiàn)較大的側(cè)向變形.當(dāng)裂隙傾角增大時(shí),翼裂紋延伸路徑較為曲折,且伴隨樹杈狀次生裂紋萌生擴(kuò)展.靠近巖樣兩側(cè)的裂紋尖端處發(fā)生剪切破壞,周圍單元損傷形成壓剪裂紋,并向兩側(cè)延伸擴(kuò)展,致使巖樣局部出現(xiàn)隆起變形.通過分析表6的裂紋擴(kuò)展與聲發(fā)射特征圖,預(yù)制60°裂隙巖樣尖端在拉應(yīng)力集中作用下萌生4條裂紋,其受壓不斷向近軸向擴(kuò)展,周圍單元拉損破壞逐漸形成1號,2號次生裂紋.在154步時(shí)近側(cè)面尖端受壓剪作用出現(xiàn)3號,4號次生裂紋,最終造成巖樣失穩(wěn).含裂隙巖樣均在90°時(shí)破壞最為嚴(yán)重,當(dāng)傾角較小時(shí),裂隙延伸方向較為單一,次生裂紋數(shù)量較少.預(yù)制裂紋尖端處的剪破區(qū)發(fā)育不明顯,當(dāng)傾角為90°時(shí),預(yù)制裂紋尖端壓剪破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)大量次生裂紋,隨載荷增加次生裂紋相互搭接貫通,最終造成巖體剝落,在實(shí)際工程中應(yīng)密切關(guān)注裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài),合理采取加筋等措施緩解該部位的破壞態(tài)勢.

文獻(xiàn)[18]對斷續(xù)雙裂隙砂巖試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),由于預(yù)制裂紋間距與偏轉(zhuǎn)角的不同,所得裂紋擴(kuò)展過程略有差異,但大體規(guī)律相似:試件首先在預(yù)制裂紋尖端起裂生產(chǎn)翼裂紋,在載荷作用下迅速發(fā)育相互搭接貫通.其裂紋擴(kuò)展過程驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.最終破壞模式對比如圖6所示.

圖6 破壞模式對比圖

2.3 聲發(fā)射特征

2.3.1 單裂隙巖石聲發(fā)射特征

結(jié)合圖4與圖7可看出在開始受壓時(shí)幾乎沒有發(fā)生聲發(fā)射事件.隨著加載的不斷進(jìn)行,峰前巖樣出現(xiàn)了微裂紋,此時(shí)聲發(fā)射事件數(shù)目較少,能量釋放也較小.

通過對照分析表5的裂紋擴(kuò)展過程圖可以得到以下結(jié)論:在峰前即裂紋擴(kuò)展前期,由于所受外部載荷相對小,裂紋延伸速度較慢.在裂紋不斷延伸擴(kuò)展過程中,聲發(fā)射事件趨于頻繁,峰后有密集聲發(fā)射事件產(chǎn)生,對應(yīng)著較大應(yīng)力降及大幅能量釋放.若產(chǎn)生除主裂紋外較大的次生裂紋,必然有相對較大的應(yīng)力降,對應(yīng)聲發(fā)射次數(shù)較為密集.如傾角為15°時(shí),裂紋擴(kuò)展前期(step51-step126)的延伸較為平穩(wěn),對應(yīng)其聲發(fā)射事件發(fā)生頻繁,數(shù)目穩(wěn)定.當(dāng)巖樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后,這時(shí)裂紋已有較大程度擴(kuò)展,巖樣內(nèi)部破壞明顯(step134),出現(xiàn)密集聲發(fā)射事件.在裂紋擴(kuò)展后期,沿預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)次生較大裂紋,此時(shí)對應(yīng)的聲發(fā)射數(shù)目相對較大,隨外荷載增大,裂紋延伸至側(cè)部,巖樣小范圍剝落.除與加載方向垂直的預(yù)制裂隙巖樣以外,其余6組巖樣隨預(yù)制傾角的增大,最多聲發(fā)射事件發(fā)生的時(shí)間愈晚(加載步分別為134,154,151,171,232,283),最多聲發(fā)射事件的數(shù)目也愈大,增速越快(分別為180,196,198,486,2100,8308,26496).由加載步-聲發(fā)射次數(shù)圖可看出,當(dāng)預(yù)制傾角較小時(shí),峰前聲發(fā)射事件頻繁且數(shù)目較為平均.隨傾角增大,聲發(fā)射累積曲線由漸升轉(zhuǎn)為突增,增頻降低.

2.3.2 雙裂隙巖石聲發(fā)射特征

在實(shí)際工程中,關(guān)注的是含裂隙巖體的破壞時(shí)間及模式,而裂紋擴(kuò)展過程與聲發(fā)射事件密切相關(guān).通過對比同一傾角下典型單裂隙聲發(fā)射事件圖(圖7)和典型雙裂隙聲發(fā)射事件圖(圖8),可看出雙裂隙巖樣的最大聲發(fā)射數(shù)較少,而最大聲發(fā)射事件發(fā)生時(shí)間相差不大.

圖7 單裂隙聲發(fā)射事件圖(含累積曲線)

圖8 典型雙裂隙聲發(fā)射事件圖(含累積曲線)

通過對比同一傾角下單、雙裂隙聲發(fā)射事件累積曲線,如圖7(d)和圖8(d),曲線上升趨勢更為均勻,聲發(fā)射事件總數(shù)略少于單裂隙巖樣的事件總數(shù).由于預(yù)制雙裂隙巖樣比單裂隙更破碎,裂紋擴(kuò)展貫通次數(shù)多,區(qū)域更為分散,故能量釋放次數(shù)少,但每次數(shù)量較多且平均.在加載初期,巖樣基本沒有發(fā)生聲發(fā)射事件,說明在這一階段巖樣還未發(fā)生破壞.與預(yù)制單裂隙巖樣類似,當(dāng)加載方向與裂隙方向夾角逐漸減小時(shí)(即0°,15°,30°,45°),巖樣聲發(fā)射的起始步逐漸提前,分別為40,36,33,25.裂隙方向與加載方向愈趨于一致,最大聲發(fā)射次數(shù)發(fā)生越早,最大聲發(fā)射次數(shù)呈倍數(shù)增長.在加載破壞過程中,不斷有聲發(fā)射事件產(chǎn)生,這說明巖樣的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程.而聲發(fā)射事件發(fā)生的活躍區(qū)間的長短反映了巖樣裂紋萌生與擴(kuò)展的時(shí)長.若活躍區(qū)間越短,最大聲發(fā)射次數(shù)越大,則表明巖樣劇烈破壞,短期內(nèi)失去承載能力.例如圖8(d)裂隙傾角為75°時(shí)的聲發(fā)射過程圖可知,在step287-step300期間巖樣已快速失穩(wěn).

3 結(jié)論

本文以錦屏二級引水隧洞某洞段巖石的單軸受壓實(shí)測資料為依據(jù),采用RFPA2D軟件反演得到了與其力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量)一致的巖石材料模型參數(shù),以此為基礎(chǔ)探究了巖石裂隙數(shù)量和傾角對巖石力學(xué)特性、變形響應(yīng)及能量釋放的影響,所得結(jié)論如下:

1)單裂隙巖樣均主要表現(xiàn)為拉剪破壞為主的漸進(jìn)破裂模式.加載初期,預(yù)制裂隙尖端附近均出現(xiàn)局部的拉伸劈裂破壞,之后應(yīng)力不斷調(diào)整,裂紋尖端拉應(yīng)力集中,最終形成了與加載方向平行的破壞面.雙裂隙巖樣的破壞過程均與單裂隙巖樣類似,但由于裂隙間的相互作用,兩預(yù)制裂隙間的次生裂紋相互貫通,尖端裂紋呈現(xiàn)出延伸搭接的破壞形態(tài),破壞模式為以拉裂與局部壓剪為主的組合式破壞.最終破壞時(shí)單、雙裂隙巖樣均表現(xiàn)出不同程度的擴(kuò)容破壞特征,巖樣側(cè)面產(chǎn)生明顯變形.在實(shí)際工程實(shí)踐中應(yīng)密切關(guān)注裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài),合理采取加筋等措施緩解該部位的破壞態(tài)勢.

2)裂隙的數(shù)量影響了巖體的破碎程度,裂隙數(shù)量越多,巖體的完整性越差,峰值強(qiáng)度越低.從聲發(fā)射的角度來看,單裂隙巖樣的最大聲發(fā)射事件次數(shù)更大,瞬時(shí)應(yīng)變能釋放更多,能量釋放速率也更快.如傾角為90°時(shí),單裂隙巖樣的峰值強(qiáng)度較雙裂隙巖樣提高了8.2%,最大聲發(fā)射次數(shù)增大了6.8%,能量釋放速度提高了3.2%.

3)單、雙裂隙巖體的裂隙傾角對巖石宏觀力學(xué)性能的影響較為類似,且裂隙傾角對巖石力學(xué)性能的影響程度遠(yuǎn)大于裂隙數(shù)量對其的影響.裂隙傾角越大,巖石的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變越大,聲發(fā)射事件數(shù)和發(fā)射能量都較為集中,如90°單裂隙巖樣較0°的峰值強(qiáng)度提高了1.73倍,軸向應(yīng)變增大了1.15倍,聲發(fā)射過程也更集中,巖樣的破壞過程突然且迅速.因此,在實(shí)際工程中應(yīng)著重防范低裂隙傾角巖樣對巖石宏觀力學(xué)性能的降低作用及高裂隙傾角巖樣的突然崩裂現(xiàn)象.