鄭傳湉 朱星宇 張志強(qiáng)

摘要： 為研究緩傾層狀巖體結(jié)構(gòu)特性對(duì)其各向異性力學(xué)性能和破裂演化特征的影響，本文考慮不同結(jié)構(gòu)面間距、強(qiáng)度、傾角等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及模型尺寸效應(yīng)，開展緩傾層狀砂泥巖多因素影響試驗(yàn)研究. 基于顆粒流方法建立緩傾層狀巖體數(shù)值力學(xué)模型，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)定了層狀砂泥巖參數(shù)，并驗(yàn)證了所建立模型的有效性. 通過(guò)顆粒流數(shù)值力學(xué)試驗(yàn)，創(chuàng)新性地研究層狀巖體結(jié)構(gòu)面的裂紋發(fā)育速率，進(jìn)而揭示緩傾層狀砂泥巖強(qiáng)度各向異性及破裂演化特征，確立其力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面間距、強(qiáng)度、傾角三個(gè)結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系. 研究結(jié)論：（1）引入的平節(jié)理模型（FJM）與光滑節(jié)理模型（SJM）建立的離散元力學(xué)模型，能表征緩傾層狀巖體強(qiáng)度各向異性力學(xué)特性與破裂演化過(guò)程；（2）緩傾層狀巖體切線模量與強(qiáng)度，隨層間距和層間強(qiáng)度的增大而增大，隨結(jié)構(gòu)面傾角的增大而減小，破裂特征受結(jié)構(gòu)面的影響逐漸增大，基于單組結(jié)構(gòu)面理論計(jì)算結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞的臨界角度為24. 5°；（3）結(jié)構(gòu)面裂紋的發(fā)育速度，隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而減小、隨結(jié)構(gòu)面傾角的減小而減小，隨結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的變化不明顯. 本文研究結(jié)果為緩傾層巖體隧道的力學(xué)行為與圍巖穩(wěn)定性研究提供了參考.

關(guān)鍵詞： 緩傾層狀巖體； 各向異性； 顆粒流； 破裂特征； 平節(jié)理模型； 光滑節(jié)理模型

中圖分類號(hào)： TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034004

1 引言

在砂泥巖、頁(yè)巖、板巖等沉積巖為主的地層中，通常存在發(fā)育良好的結(jié)構(gòu)面，它具有強(qiáng)烈的各向異性特征，且不同的結(jié)構(gòu)特性通常會(huì)引起巖石力學(xué)特性的顯著差異，進(jìn)而對(duì)工程建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)維護(hù)期內(nèi)圍巖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的重要影響［1-4］. 對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.

在層狀圍巖隧道研究方面，張斌等［5］用3DEC軟件對(duì)不同傾角下圍巖應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了研究. 李青剛等［6］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了層狀圍巖的破壞模式與形成機(jī)制. 丁堯等［7］基于塊體離散元理論對(duì)層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析. 現(xiàn)有的研究難以對(duì)層狀巖體微裂紋的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行反演，并且在顆粒流方面對(duì)層狀巖體的微觀各向異性力學(xué)性能的研究尚不完善.

在基于顆粒流離散單元法研究方面，Hertz［8］計(jì)算了顆粒接觸區(qū)域內(nèi)的壓力分布、接觸力以及接觸面的半徑等；Antoyuk 等［9］研究了顆粒間接觸力? 位移的本構(gòu)方程的求解方法；Rumpf［10］與Schubert［11］的研究證實(shí)了連接的破裂力學(xué)行為由細(xì)觀的黏接本構(gòu)模型決定以及顆粒細(xì)觀與宏觀的相關(guān)性；王朝陽(yáng)等［12］對(duì)離散元顆粒流數(shù)值模型的參數(shù)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究. 同時(shí)，針對(duì)層狀砂板巖的研究，何忠明等［13］、劉運(yùn)思等［14］通過(guò)單軸及巴西劈裂試驗(yàn)揭示了層狀板巖的各向異性強(qiáng)度特征和破壞機(jī)制；張鵬飛等［15］通過(guò)室內(nèi)單軸以及巴西劈裂試驗(yàn)分析了層狀砂巖的變形破裂過(guò)程.

學(xué)者們對(duì)層狀巖體強(qiáng)度特征、破壞機(jī)制以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究，但現(xiàn)有研究存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）以往的試驗(yàn)大多為標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗(yàn)試件，不能反映緩傾層狀巖體的尺度效應(yīng)，對(duì)宏觀力學(xué)行為規(guī)律性的表征較弱；（2）采用有限元軟件難以對(duì)巖石裂紋發(fā)育進(jìn)行反演，對(duì)破裂特征的表征較弱；（3）大多數(shù)值力學(xué)模型采用平行粘結(jié)模型，難以模擬壓拉比過(guò)大的巖石.

針對(duì)目前關(guān)于緩傾層狀巖體研究存在的問(wèn)題，本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和適用于層狀巖體的數(shù)值分析方法，對(duì)緩傾層狀砂泥巖開展研究. 采用具有自鎖效應(yīng)的平節(jié)理模型模擬具有較大壓拉比的基質(zhì)體，以光滑節(jié)理模型表征結(jié)構(gòu)面滑移特性，建立緩傾層狀巖體數(shù)值力學(xué)模型，以單軸壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的有效性，揭示了緩傾層狀巖體尺度效應(yīng). 基于試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定層狀砂泥巖模型細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)面間距、強(qiáng)度、傾角等不同結(jié)構(gòu)面特性影響下緩傾層狀巖體各向異性力學(xué)性能與破裂演化規(guī)律.

2 緩傾層狀巖石顆粒流數(shù)值力學(xué)模型

2. 1 Particle Flow Code（PFC）接觸模型簡(jiǎn)介

2. 1. 1 光滑節(jié)理模型（SJM） SJM 可模擬具有膨脹性的平面界面的力學(xué)行為，不考慮界面上局部顆粒的接觸方向. 通過(guò)將SJM 分配給位于連接兩端的顆粒，可以對(duì)摩擦連接與膠結(jié)行為進(jìn)行模擬. SJM 可模擬線彈性、膠結(jié)和摩擦的宏觀力學(xué)行為，見圖1. 膠結(jié)界面的行為是線彈性的，當(dāng)超過(guò)其強(qiáng)度極限，粘結(jié)斷裂. 膠結(jié)的SJM 滿足庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則. 無(wú)粘結(jié)界面是線彈性且?guī)蛎浶?yīng)的摩擦界面，通過(guò)在剪切方向上施加庫(kù)侖極限來(lái)調(diào)節(jié)顆粒間的滑移.