交叉節理類巖石裂隙擴展規律研究

陳云娟劉洪釗尹福強崔亦秦劉華軍

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102；3.山東建筑大學資產處，山東濟南250101)

0 引言

自然界巖體含有許多形態各異、大小不等的不連續面，其存在很大程度上影響了巖體的力學特性和強度特性。交叉節理是自然界巖體不連續面的一種普遍存在形式，研究交叉節理巖體受壓條件下的破壞規律對于巖體工程穩定性分析具有重要意義[1-4]。由于試驗條件和試驗裝置的限制，目前的研究主要集中于單節理、平行節理、斷續節理、洞室等不連續體形式，對于交叉節理巖體裂隙擴展規律的研究比較少。

近幾年，越來越多的學者開始關注并深入研究交叉節理巖體裂隙擴展的規律。李露露等[5]研究了三叉裂隙類巖石試樣在單軸壓縮條件下的破壞規律，分析了交叉裂隙角度的影響和巖樣的破裂形式；Liu等[6]對T型和單X型節理試件的裂隙擴展規律進行了試驗研究；Cao等[7]通過試驗和數值模擬分析了不連續交叉節理類巖石試件單軸壓縮條件下的破壞過程，并分析了能量釋放機理。張波等[8-11]將交叉裂隙預置為主裂隙和次裂隙，研究了交叉裂隙試樣的破壞機制，并分析了錨固位置對節理巖體強度的影響；此外，文獻[12-16] 研究了水流在巖體交叉裂隙中的運移問題，并分析了交叉裂隙巖體的滲流特性。

盡管已有的研究取得了較大的進展，但成果多集中于單交叉裂隙的擴展形態及強度研究方面。文章基于已有的研究成果，依據可重復性強、經濟快速的原則，配制單X貫通型和雙X型交叉節理類巖石試件，研究其在單向壓縮條件下的裂隙擴展規律，并采用非連續變形分析方法DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure)，仿真模擬巖體裂隙擴展的非連續變形路徑，共同揭示交叉節理類巖石的裂隙擴展機理，可為巖體工程安全施工和穩定性分析提供參考依據。

1 單X型交叉節理巖體裂隙擴展規律試驗研究

選用的巖石原型為砂巖。經過多次配比優選試驗，最終確定類巖石材料選用砂子、水泥、減水劑和水，其質量配比為 0.97∶1.00∶0.03∶0.30。 其中，砂子為普通河砂，采用1.18、0.60、0.30和0.15 mm等4種顆粒級配，其質量比為 1.33∶1.11∶1.00∶1.00；水泥選用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥。采用減水劑可以起到降低水與水泥的用量、減少水泥砂漿的凝結時間及提高水泥砂漿的可塑性等作用。節理采用聚氯乙烯薄片來模擬制作，其尺寸為0.5 mm×15 mm。類巖石試件加工尺寸為140 mm×70 mm×45 mm，澆筑完成后，先在養護箱中養護約2周，待其物理力學性質穩定后，再進行加載分析。類巖石試件加工模具如圖1所示。單X型節理角度和加工完成的部分單X型節理類巖石試件，分別如圖2、3所示。

圖1 試件加工模具圖

圖2 單X型節理角度示意圖

圖3 單X型交叉節理類巖石試件圖

通過聲發射儀選取聲速穩定的類巖石試件進行單向壓縮條件下的裂隙擴展試驗研究，交叉節理角度組合分別為 30°＆ 45°，45°＆ 45°和45°＆ 60°，每種工況15塊。對類巖石試件進行常規單軸加載試驗，試驗儀器采用山東建筑大學巖石力學實驗室中的微機控制電液伺服機，該試驗機可實現拉伸、抗壓、剪切和彎曲測試等功能。試驗過程中先對試件進行力控制，再進行位移控制，壓縮過程適時錄像并記錄其應力—應變曲線。試件加載完成后，單X型節理試件的破裂形態如圖4所示，紅色節理為主裂隙擴展節理，綠色節理為次裂隙擴展節理。

圖4 單X型節理試件裂隙擴展圖

由圖4可知，單X型節理試件受到豎向壓縮后，紅色節理作為起裂節理，試件主要沿紅色節理進行裂隙擴展，紅色節理裂隙擴展的規模和范圍遠遠大于綠色節理。當左右2條節理角度相同時(45°＆45°組合)，類巖石試件受到單軸壓縮應力后，2條節理的受力條件較為一致，能量釋放程度處于同步狀態，基本沒有強弱之分；而當左右2條節理角度不相同時(30°＆ 45°組合以及 45°＆ 60°組合)，類巖石試件受到單軸壓縮應力后，打破了原有的均衡應力狀態，與此同時，2條節理的能量釋放程度也不相同，裂隙會以其中一條節理的裂隙擴展為主，儲存的能量也主要伴隨該節理裂隙的擴展貫通而釋放。

2 雙X型交叉節理巖體裂隙擴展規律試驗研究

自然界中巖體的交叉節理往往不是單一的，由于長期受到自然地質的作用，巖體會出現各種各樣的交叉節理，因此，為了進一步反應自然界中巖體交叉節理的狀態，在單X型節理研究的基礎上，對雙X型節理試件的裂隙擴展規律進行了試驗研究。雙X型節理試件的示意圖和制作的部分類巖石試件如圖5(a)～(d)所示。試件受到單向壓縮作用后，試件的裂隙擴展形態如圖5(e)～(l)所示。

圖5 雙X型節理試件裂隙擴展圖

由圖5可知，雙X型節理試件受到單向壓縮作用后，大約1/2的類巖石試件中，上端一組X型節理在裂隙擴展過程中起著主控作用，能量釋放主要沿著該組裂隙的擴展進行，最終達到新的應力平衡，試件的破裂形態如圖5(e)～(h)所示；同樣有一半的類巖石試件，裂隙擴展以下端一組X型節理為主，試件的破裂形態如圖5(i)～(l)所示。因此，其他影響因素相同的條件下，巖體受到壓縮作用，裂隙擴展會從某組X型節理起裂，以該組節理為突破口并迅速擴展、貫通來釋放儲存在巖體中的能量，而另一組X型節理相對來說，裂隙擴展規模和程度明顯小于該組節理。從目前試驗結果來看，該突破口X型節理組位置不太固定，上端和下端節理組作為突破節理組的幾率基本相等。

3 交叉節理巖體裂隙擴展非連續變形仿真模擬

非連續變形分析方法既具有有限元方法中嚴謹的數學、力學推導理論，又具有像離散元方法一樣分析大位移、大變形的功能，是近幾年廣泛應用于巖體工程穩定性分析的數值分析方法[17-19]。為了與室內試驗對比并進行驗證，采用非連續變形分析方法DDARF對交叉節理巖體的裂隙擴展規律進行數值模擬。DDARF是在DDA的基礎上由武漢巖土所焦玉勇和張秀麗提出來的，專門用于模擬巖體裂隙破壞的全過程，包括裂隙的萌生、擴展、貫通直至最終的破壞[20]。

DDARF在計算過程中必須滿足3個運動學條件:(1)位移的完全一階近似；(2)平衡方程和最小勢能原理；(3)塊體之間無嵌入無拉伸。DDARF在模擬巖體開裂過程前，首先將計算模型利用行波法分為若干三角形單元，單元之間的接觸分為3種形式:角—角接觸、角—邊接觸和邊—邊接觸。其接觸處通過法向彈簧和切向彈簧實現塊體之間無嵌入無拉伸的運動學條件(如圖6所示)。每個三角形單元的邊界定義為虛擬節理，作為巖體進一步開裂的可能路徑。當虛擬節理達到它的強度極限時(利用最大拉應力準則和摩爾—庫倫準則對其強度進行判斷)，虛擬節理則變為真實節理，節理的力學參數也相應地由虛擬節理的參數轉變為真實節理的參數[20-22]。

圖6 DDARF塊體接觸理論圖

對類巖石試件裂隙擴展形態的DDARF數值模擬結果如圖7、8所示。

由圖7可知，對于單X型節理類巖石試件，當角度為30°＆45°時，30°節理的裂隙擴展程度要弱于45°節理，裂隙擴展以節理②為主；當角度為45°＆45°時，單X節理組中兩條節理的裂隙擴展程度相似；當角度為45°＆60°時，60°節理的裂隙擴展程度要輕于45°節理，裂隙擴展以節理②為主。這與圖4試驗結果具有較高的吻合性，即2條節理角度相同時，其裂隙擴展規模較為同步；2條節理角度不同時，會以某條節理作為起裂節理，并主要沿該節理迅速擴展貫通。該數值模擬結果同時也表明，角度不同時，45°節理裂隙擴展程度更為劇烈。對于雙X型節理類巖石試件，以①45°＆45°和 ②45°＆45°角度為例，裂隙擴展會以某組X型節理為主，如圖8所示，裂隙擴展以節理組①為主，在巖體的裂隙擴展過程和能量釋放過程中，該組X型節理起著主控作用，這也與圖5試驗結果相一致。

圖7 單X型節理巖體破裂形態DDARF模擬結果圖

圖8 雙X型節理巖體破裂形態DDARF模擬結果圖

4 結論

通過上述研究可知:

(1)對于單X型節理巖體，當左右節理角度相同時，2條節理的裂隙擴展程度和規模基本相同；當左右節理角度不同時，會以其中一條為起裂節理，并沿著該節理迅速擴展貫通，成為能量釋放的主要路徑。

(2)對于雙X型節理巖體，受到壓縮作用后，某組X型節理會成為起裂的突破口，該組節理在裂隙擴展過程中起著主控作用，直到試件達到新的平衡或直至試件破壞。

(3)DDARF在模擬巖體裂隙擴展方面具有較高的精度，與試驗結果基本一致，能夠和室內試驗共同作為研究手段，揭示交叉節理巖體的裂隙擴展規律。