層狀巖體破裂演化研究現狀及發展趨勢

侯雪迪 劉帆 黃建成 程豪 祝岳

摘 ? 要：層狀巖體破裂失穩是導致地下工程地質災害的重要原因。本文針對層狀巖體失穩問題，在充分調研國內外研究成果的基礎上，從力學試驗及數值模擬角度概述了目前進行的層狀組合巖體破裂演化規律研究現狀。在此基礎上分析提出了層狀組合巖體破裂機制研究的發展趨勢：（1）含預制裂紋的層狀組合巖體破裂演化機制，（2）多場耦合層狀組合巖體失穩特征研究。研究成果對于分析層狀組合巖體失穩破裂研究現狀，明確其未來發展趨勢具有一定的指導意義。

關鍵詞：層狀巖體 ?破裂機制 ?綜述 ?現狀及趨勢

中圖分類號：TU45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0135-04

Abstract：The fracture instability of the layered rock mass is the main factor to induce the engineering geological disasters. Aiming at the layered rock mass fracture instability， the states of propagation evolution in layered rock mass are summarized from lab tests and numerical modeling according to the existing research results. The trends are put forward： （1） the propagation evolution of layered rock mass containing the pre-existing cracks; （2） the instability characteristics of layered rock mass under the multi-field coupling. This paper provides guidance in states and trends of layered rock mass propagation evolution.

Key Words：Layered rock mass ?propagation mechanics ?review ?state and trends

近年來，我國經濟持續增長，基礎設施建設力度逐年加大，隨之而來的地下工程建設也日益廣泛。我國幅員遼闊，地質環境多變，而地下工程建設廣度的擴展，導致面臨的工程地質情況日趨復雜。目前我國地下工程逐漸向大深度、大規模、復雜的方向發展，同時也面臨著更加嚴重的巖溶突水、巖爆等工程地質災害。

巖體作為地下工程的基本介質，通常以層狀結構出現。地下工程開挖過程中，系列層狀巖體組合破壞是導致重大工程地質災害的重要原因。例如駱駝山突水，大同馬脊梁礦煤柱群失穩引發地震及地表塌陷，貴南高鐵朝陽隧道突水等，均是由于層狀組合巖體結構失穩所致。層狀組合巖體結構失穩防控已成為地下工程中亟待解決的關鍵科學及技術難題。

本文立足于層狀組合巖體結構失穩核心問題，充分調研國內外研究成果，概述了力學試驗及數值模擬兩方面針對該問題進行的系列研究，分析了層狀組合巖體破裂演化發展趨勢，以期為層狀組合巖體破裂失穩研究提供參考。

1 ?國內外研究現狀

目前從實驗室角度研究層狀巖體結構失穩及體破裂演化規律，目前主要集中在力學試驗及數值模擬兩個方面。

1.1 力學試驗

左建平等[1-8]系統進行了多種監測手段不同加載條件下的煤巖組合體力學行為、能量演化等方面研究，并建立了相應的力學模型。解北京等[9]進行了不同組合比條件下砂巖-煤巖-砂巖沖擊載荷試驗。郭東明等[10]分析了不同傾角組合影響下煤巖體強度特征及破壞機制。王崗等[11]揭示了組合煤巖體破裂演化過程中的電荷規律。Chen等[12-15]分析了單軸加載煤巖組合體及油頁巖-煤巖組合體破裂演化規律及其力學行為。彭光忠等[16]采用石膏材料進行試驗，并解釋了塊狀組合巖體結構力學效應。劉曉云等[17]采用水泥砂漿及石膏材料測試了單軸壓縮不同強度組合復合巖體試件力學特性。

1.2 數值模擬

在數值模擬方面，Yin等[18-20]采用PFC進行煤巖組合體破裂演化模擬試驗，分析了其漸進破壞規律及強度特征。Wang等[21]分析了不同孔洞裂紋情況下裂紋傳播規律及其力學性能。趙同彬、付斌、李蒙蒙、曹吉勝、趙宏林、趙越、趙增輝等[22-27]分別采用PFC2D、ANSYS2D、RFPA2D、FLAC3D數值軟件模擬了不同巖煤傾角、不同強度比的組合體試樣單軸、三軸壓縮試驗，研究了巖煤界面傾角、分形特性對組合體試樣力學特性的影響及其漸進破壞特征。郭偉耀、聶鑫和周安朝等[28-30]采用PFC2D數值軟件，模擬了不同加載條件下試驗，分析了煤巖強度比、高比對組合體試樣強度、破壞特征的影響。

2 ?存在問題及發展趨勢

諸多專家學者的研究極大促進了對層狀組合巖體破壞規律的認識，但目前對于組合巖體破裂演化研究多集中于煤巖組合體，且主要研究對象為完整巖體或采用數值方法模擬含裂隙巖體。地下工程中多面臨裂隙巖體，其內部原始損傷對工程巖體穩定性具有極其重要的影響，因此僅考慮完整巖體力學行為，難以提供有效的層狀組合巖體災害防控措施。地下工程中，巖體常處于多相耦合作用下，目前已有研究主要集中于載荷作用下層組合巖體破壞規律，對多場耦合層狀組合巖體破壞研究較少。在分析總結前述研究成果的基礎上，筆者認為層狀組合巖體破裂研究將在下列兩方面得到長足發展：

（1）含預制裂紋的層狀組合巖體破裂演化研究。

采用預制裂紋模擬工程地質中的原始損傷，分析預制裂紋在載荷作用下傳播特征及其穿層破壞特征，揭示開挖擾動影響下斷層、節理等原始損傷傳播演化誘發工程地質災害全過程，辨識災變前兆信息，為層狀裂隙巖體工程失穩防控提供可靠依據。

（2）多場耦合層狀組合巖體失穩特征研究。

地下工程建設過程中，巖體除受到載荷作用，還常受到滲流場、熱力場影響，這導致巖石破壞并非單純受應力場控制，而是多場耦合破壞過程。因此研究滲流場-熱力場-應力場耦合作用下層狀組合巖體破裂失穩過程，揭示其破裂失穩機制及特征信息具有重要意義。

3 ?結語

層狀巖體失穩災害是地下工程安全建設面臨的重要技術難題。本文在充分調研國內外研究成果的基礎上，分析了層狀組合巖體失穩破壞研究所取得進展，同時提出了層狀組合巖體破裂研究在含原始損傷及多場耦合兩個方面的發展趨勢。本文可為本領域研究提供一定的參考，同時對地下工程層狀巖體失穩災害預測及防控具有指導意義。

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