類巖石裂隙擴展多因素影響研究

陳云娟，敬藝，尹福強，李艷龍，高濤

(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)

0 引言

隨著城市地下空間和山嶺地下空間的不斷開發利用，巖體工程的項目和規模與日俱增，隨之而來的圍巖穩定性問題也日益突出。自然界巖體是一種非連續體，含有大量的不連續面，其存在、擴展以及貫通對巖體力學性質影響有很大[1-4]，而這一過程同時會受到很多因素的影響，因此，深入研究不同因素對不連續面擴展過程及巖體強度的影響規律，對于保證巖體工程安全和穩定具有重要的意義。

試驗方法是確定巖體力學特性最基本、最直接的手段，也是觀察巖體變形規律、破壞機制及力學效應比較有效的一種方法[5-7]。一直以來，許多學者針對巖體裂隙擴展方面的研究做了大量有價值的試驗工作。張波等[8-11]通過類巖石室內試驗，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；肖桃李等[12]通過對類巖石試件進行室內試驗，研究了單節理巖體的強度及破壞特性，分析了巖體強度與試件尺寸、節理傾角等的關系。韓建新等[13]和李樹忱等[14]開展了大量的室內試驗，研究了節理巖體的貫穿程度、尺寸效應。夏才初等[15]開展了節理巖體在不同主應力差卸載路徑下的試驗研究。秦濤等[16]為探尋深部復雜應力條件下巖石破壞機理，開展了砂巖在單軸和常規三軸加載下的聲發射特征實驗。李宏哲等[17]對大理巖節理試件進行三軸壓縮試驗，研究了巖體破壞形式的受控因素。

文章基于已有的試驗基礎，考慮節理位置、圍壓和溫度對巖體破裂過程的影響，通過室內試驗，分析節理位置、圍壓的改變對巖體峰值強度和破裂形態的作用，并通過加卸載試驗定性分析洞室開挖掌子面的卸荷效應；同時，對4種較低溫度和3種超高溫度下巖體的裂隙擴展形態和規律進行研究。

1 節理位置對巖體裂隙擴展規律的影響

以砂巖為原型，選取砂子、水泥、減水劑和水作為類巖石材料，質量配比為 0.97∶1∶0.03∶0.3。 試件加工尺寸為70 mm×140 mm×45 mm，節理采用尺寸為0.5 mm×15 mm的聚氯乙烯薄片制作。為了分析不同節理位置對巖體裂隙擴展規律的影響，假定節理角度一定，均為30°，節理位置從上到下分為5種情況:第一條與第二條垂直距離為10 mm；第二條與第三條垂直距離為20 mm；第三條與第四條垂直距離為20 mm；第四條與第五條垂直距離為10 mm。節理位置及距離如圖1所示，試驗工況如圖2所示。

圖1 試件中節理位置及距離示意圖/mm

圖2 節理位置5種試驗工況示意圖

在對類巖石試件進行單軸壓縮試驗之前，需要將類巖石試件上下端面打磨平整，消除其端部效應，試驗所用端面打磨機如圖3所示。采用GAW-2000電液伺服巖石剛性壓力試驗機對試件進行力學性能測試，先力控制再位移控制，位移加載速率為0.1 mm/min，利用位移傳感器、千分表分別測量試件的軸向和橫向變形，利用DV攝像機記錄試件裂隙擴展的全過程，試驗儀器和設備如圖4所示。試驗完成后，不同節理位置的類巖石試件裂隙破裂形態如圖5所示。當節理位置不同，類巖石試件受單向壓縮應力后的破裂形態也是不同的。當節理處于頂部位置和底部位置時，試件受到單向壓縮作用，會沿著原有節理的尖端開始起裂，并迅速擴展產生翼裂紋，翼裂紋的方向平行于最大主應力的方向，同時，試件也會產生明顯的張拉裂紋，即劈裂裂紋，方向也近似平行于最大主應力方向；當節理位于試件的中上部位置和中下部位置時，翼裂紋擴展仍然顯著，同時伴隨次生裂隙擴展，試件內部主要產生張拉裂紋；當節理位于試件的中間位置時，試件受到壓縮作用后，基本沒有次生裂隙產生，導致試件破壞的裂紋主要是由原生節理引起的翼裂紋擴展，為剪切裂紋。

圖3 試件端面打磨機圖

圖4 GAW-2000剛性壓力機圖

圖5 節理不同位置時類巖石試件裂隙擴展形態圖

2 圍壓及加卸載對巖體裂隙擴展規律的影響

采用巖體多裂隙擴展的高精度多路超高壓步進比例溢流閥液壓加載系統對試件進行真三軸加載，如圖6所示。該加載系統加載精度達到±0.05 MPa，可以實現平滑增壓或減壓。

加載完成后，得到類巖石試件在不同圍壓下的最終破裂模式，如圖7所示。

由圖7可知，當給試件施加相同條件下的荷載時，試件表現出了不同的破裂形態。當豎向荷載均約為32 MPa時，單軸加載條件即圍壓為0 MPa時，試件破壞的最嚴重，達到了強度極限。隨著圍壓的增加，巖體出現的裂紋越來越少，程度和規模都明顯減小，當圍壓為5 MPa時，試件產生2條明顯的裂紋，但沒有達到試件的強度極限；當圍壓為10 MPa時，試件產生一條明顯的裂紋，此時試件仍然有較高的抗壓強度；當圍壓達到15 MPa時，試件基本沒有明顯裂紋產生。因此，圍壓的增加能夠增強巖體的強度，抑制裂紋的產生和擴展。

圖6 巖石真三軸加載裝置圖

圖7 不同圍壓下巖體的破裂形態圖

深部巖體洞室開挖會引起圍巖體應力的重新分布，應力狀態也會相應的由三維狀態轉變為二維甚至一維狀態，導致儲存在巖體內的彈性應變能隨著巖體裂隙的擴展和非連續變形的產生而釋放出來。在這個過程中，巖體的應力應變關系非常復雜，僅僅用應力或應變來分析和判斷圍巖體的穩定性相對困難[18-20]。基于此，利用室內試驗來分析巖體的開挖效應，即開挖面或掌子面的卸載效應。試驗步驟如下:首先對類巖石試件施加三向荷載，待荷載穩定后，將模擬掌子面的一面荷載卸除，通過該面的卸載試驗來定性反映洞室開挖工程中掌子面的卸載效應，加卸載示意圖如圖8所示。

圖8 類巖石試件加卸載示意圖

卸載后，試件的裂隙擴展形態如圖9所示。當卸載試件一個側面的荷載時，該側面的應力得到釋放，儲存在巖體中的能量通過裂隙擴展的形式被釋放出來。因此，同圍壓下，相較于無卸載的情況(如圖7所示)，卸載面的裂隙擴展程度有所加重。同時注意到，卸載面的裂隙擴展方向近似平行于最大主應力方向。這便很好的解釋了洞室巖體工程中，開挖洞室容易引起洞壁圍巖產生劈裂破壞的現象。

圖9 不同圍壓下試件的卸載破裂形態圖

3 溫度對巖體裂隙擴展規律的影響

為了考慮不同溫度下巖體的破裂規律，首先通過聲發射裝置選取聲速穩定的16塊試件進行加載試驗。其中，20、40、60和80℃下試件各4塊。加載完成后，不同溫度下類巖石試件的典型破裂形態如圖10所示。

圖10 不同溫度下試件的破裂形態圖

由圖10可知，隨著溫度的增加，巖石的破裂程度有所增加，溫度加速了巖石內部儲存彈性應變能量的釋放，加快了裂隙擴展的進程。因此，在深埋地下高溫的條件下，巖石更容易產生破裂現象。

類巖石峰值強度曲線如圖11所示，溫度的增加不僅加快了巖體破裂的進程，而且也降低了巖體的強度，使其承載力顯著降低。峰值強度從20℃時的32 MPa降低到了80℃時的20.4 MPa，呈對數關系下降。

此外，為了研究超高溫度對巖體的破裂影響，另選取聲波速度大致相同的15塊試件分別進行100、200和300℃的壓縮試驗，每種溫度各取試件5塊。試驗過程中，100℃下的5塊試件都正常加載，200℃下的5塊試件中有3塊在加載過程中直接炸碎，300℃下的5塊試件中有4塊在加載過程中直接炸碎，正常加載得到的8塊試件的試驗結果如圖12所示。

圖11 不同溫度下試件的峰值強度曲線圖

圖12 不同高溫條件下試件的破裂形態圖

根據圖11、12分析可知，超高溫不僅降低了巖體的強度，而且顯著影響了巖體的破裂特征。當溫度較低時，巖體強度較高且有一定的抗壓強度，隨著溫度升高，巖體的平均峰值強度降低(100℃時為19.43 MPa、200 ℃ 時為 14.29 MPa、300 ℃ 時為10.2 MPa)。從類巖石試件的試驗情況和破裂形態來看，超高溫條件下，巖體更容易炸裂，因此對于超高溫條件下的巖體工程，需對巖爆等災害提前做好預警、防治措施。

4 結論

通過上述研究得到如下結論:

(1)節理位置越靠近試件端部，翼裂紋擴展為主，次生裂隙擴展為輔，方向近似平行于最大主應力方向，主要產生張拉劈裂破壞；節理位置在試件中間位置時，巖體的破壞主要是由原生節理的翼裂紋擴展為主，產生剪切破壞。

(2)圍壓可以提高巖體的強度，抑制裂隙的擴展。通過不同圍壓的卸載試驗，表明卸載面主要產生劈裂裂紋，因此洞室開挖后洞壁更容易產生劈裂剝落的現象。

(3)溫度越高，巖石強度越低，裂隙擴展越明顯。超高溫條件下，巖石容易產生炸裂現象，因此對于超高溫條件下的巖體工程，應重點做好巖爆災害的防治工作。