裂隙在巖石力學性質中的影響原理

孫寶成

（山東科技大學，山東 泰安 271000）

0 引言

在世界各地交通以及基站的建設過程中，我們在施工中會遇到各種不同的地質問題，其中不免會越來越復雜。尤其在隧道建設，鐵路工程建設和其他諸多巖土工程中，如遇到圍巖節理發育完善的環境，會在施工過程中增添無數麻煩。其中因為各種巖石在不同的地質構造中長時間存在，構成了各種不同的地質現象，如節理，斷層破碎帶等。而巖體的不均勻性，不連續性及其不穩定性得以充分體現，同時如造成巖體失穩被破壞的現象，則極有可能是由于各種巖體相互作用以及環境條件下流體進行滲透在裂隙中產生極大壓力而造成的。

1 巖石斷裂理論現狀

斷裂的現象在自然領域中普遍存在，在此背景下斷裂力學得到了充分發展。斷裂力學最初的分析目標是金屬材料等素材，也獲得了許多值得借鑒的研究成果。

Griffith 指出，材料中有著很多微裂紋。微裂紋是由于各種應力的集中從而造成了裂紋向巖石各處以及深處的擴張，最后所研究的巖石材料被完全破壞。在這種條件下，研究并創建了了Griffith 強度準則。根據這一標準在含金屬材料中的限制性，Irwin 改進了Griffith 的強度標準，并且巧妙地將它運用到了所研究的材料中，同時加以改正與創新創造了基于彈性脆性材料的斷裂準則，自此在研究方向上創造了《線性條件下的斷裂力學》。

據有限元拓展方法，我們可以得出I 型應力水平因子對裂紋擴展過程的作用，以及閉合裂紋在壓縮載荷效力下擴張環節的數值模擬是本文基本研究內容。

實驗中在分析非閉合裂紋在巖石材料中的斷裂擴張過程中，實驗室中使用實驗儀器分析研究了裂紋斷裂過程與模式，并得出一系列理論，

同時使用數值舉例論證的方法研究了裂隙在尖端應力場中的幾何特征。舉例如：對巖石材料的壓縮斷裂試驗表明，所見的閉合裂隙與非閉合裂隙兩者的差異以及對所處巖石材料的影響。

2 巖石流變理論的研究現狀

流變學說的是隨著時間的推移，對材料織物或骨架進行連續的調整和重組，在巖石學方面造成其應力應變情況的持續增長，以及變化。項目材料存在相應的流變性能，由于節理裂隙的切割，還有分布，堅硬巖體也反映出流變特點。只要巖土介質的承載力的不斷作用，就會出現巖土介質的流變特性，流變持續時間與應力水平相關。當應力達到或者遠遠大于巖土材料的流變下限所處的強度時，隨著時間的推移，所研究材料將逐漸出現流變變形并急劇增強，最終巖體材料被徹底破壞。在巖體工程材料流變學的分析過程中，巖石地基、以及隧道項目等存在關鍵實用價值的意義，一般包括應力蠕變、松弛、以及滯回效應。巖體的蠕變特性和巖石項目、隧道設計建設密切相關，該領域的分析工作也顯示了項目的實用價值。以灰巖和砂巖為例，展開了單軸，以及三軸壓縮下的蠕變試驗。提出巖石流變學的破壞機理：一般是低圍壓下裂隙的發育，以及滲透以及高圍壓下的內孔坍塌。

實驗室中利用單軸壓縮蠕變試驗研究了平常易得常見巖石在飽水、風干兩種極限條件下的蠕變特性。以斜長石為例，提出飽和條件巖石實現穩定蠕變所必要的時間大于風干條件下巖石所必要的時間。孫軍（2007）還系統闡述了近年來軟、硬巖及節理裂隙巖體的流變試驗、流變模型識別、流變力學措施，還有巖石流變損傷和破裂的分析進展。

在巖石流變理論中，當應力不變，應力隨時間增大的現象為蠕變;反言之則稱為巖石流變。目前常用的描述巖石流變特性的方法有兩種：一種是經驗法，也就是利用實驗構建經驗流變模型，來研究巖石的流變特征；另一種研究方式是按照巖石的基本流變特性從而構建基本的本構方程，進行研究巖石流變特征的地質元件模型。

3 裂隙在巖體材料中的斷裂機理

裂隙巖體的物理力學性質，以及長期穩定性是由于巖石自身的流變特性和其他各種水平因素的缺失而決定的，自Griffith 指出能量擴張準則開始，很多專家對含裂紋連接材料的蠕變斷裂，還有斷裂損傷機理展開了較多的分析。

在實驗室中使用電鏡儀器研究了花崗巖裂縫在荷載作用下的流變損傷機理。結論得出：當外載荷實現相應程度時，裂紋數量隨時間增加而增加。在加速應變過程中，裂紋的組合，以及消失是材料失效的最基本因素。

即使在較為完善的流變力學實驗中，很少有結果能有效地指導工程實踐。其一，巖石的流變特性被礦物組成、膠結水平、構架面分布、埋藏深度、地溫梯度、地應力等地質環境因素所干擾。其二，流變試驗與其他同等實驗相比性價比低，所以我們需要在研究方向可以進行更多實驗并采取一個準確，有效的流變模型進行分析工程實踐中的流變規律及其產物市非常必要的。

4 影響未來展望

根據流變性能的大部分試驗，所研究的巖石材料所具有的流變規律是各種因素造成的，其中地應力，時間，膠結水平以及所在地層面為止是主要的干擾因子，而實驗室條件有限不可能還原所有條件進行完整研究。其二，實驗室中進行的流變試驗無法進行加速，從而導致了一場實驗需要進行多年，不僅耗時耗力，實驗結果也不一定與預期效果相同。

綜上所述，我們仍需利用較多的試驗，進行總結研究，并且在研究過程中需要采取一個準確且有效的流變本構模型進行分析工程巖體材料的流變規律。