裂紋擴展對危巖失穩模式變化的影響分析

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

危巖是交通工程建設、運營過程中常遇到的地質災害之一，具有發育期長、突發性強、危害性大的特點。交通沿線危巖崩塌常常會危及行人、過往車輛等安全，甚至造成嚴重的人員傷亡、巨大的經濟損失。危巖失穩模式主要受巖體內結構面的影響，結構面的發育本質是裂紋的擴展，本文從裂紋擴展角度探究了危巖失穩發展模式。

一、國內外研究現狀

中國地質大學（北京）工程技術學院袁小平等在Drucker-Prager準則的基礎上，針對存在節理的巖石中小范圍屈服翼裂紋尖端塑性區，推導出基于該準則下的純Ⅰ、純Ⅱ及Ⅰ、Ⅱ復合型3種翼裂紋無量綱塑性區徑長函數；贛州有色冶金研究所謝世勇等對動靜組合荷載下的巖石破碎過程進行分析得出，一定范圍內改變靜壓力和沖擊力可以提高巖石的破碎效率；青島理工大學土木工程學院王國艷等采用巖石破裂過程的RFPT數值分析系統，模擬了單軸壓縮作用下不同裂隙傾角的單裂隙試件破壞過程；中南大學資源與安全工程學院劉濤影等探討了高滲透作用下壓剪巖石的起裂規律和分支裂紋尖端應力強度因子的演變規律，推導出高滲透壓下巖體在發生拉剪破壞時的臨界水壓力數值，以及初起裂強度的判據；東北大學資源與土木工程學院丁梧秀等用不同化學溶液對巖石事件進行浸泡溶蝕，得出在溶液的侵蝕作用下，巖石強度顯著下降，巖石結構產生損傷。在前人的努力下，斷裂損傷力學已運用到巖石的各個方面。中國礦業大學北京校區巖石力學與分形研究所謝和平總結了巖石強度理論研究中斷裂力學與損傷力學的運用進展。

本文在斷裂損傷力學理論的基礎上，從裂紋發展的角度揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖兩類危巖形成的機制，討論了危巖后緣張拉裂隙擴展及軟弱基座中裂紋的擴展對危巖失穩模式的影響，并給出了工程治理措施。

二、巖體中的裂紋

過去對巖體強度的研究，假定巖體材料是連續的，不存在任何的缺陷或者裂紋，這種假設下，用現有的應力強度理論和破壞準則很難對巖體復雜的強度變化和整體破壞現象作出解釋。

隨著斷裂與損傷力學等一系列學科的興起，眾多學者將這些新興學科應用到巖體中，巖體的強度理論由過去的經典強度理論發展到將斷裂學、損傷學應用于其中的理論，并不斷完善。巖石同大多數材料一樣，存在三種裂紋：Ⅰ型裂紋（拉張）、Ⅱ型裂紋（錯動剪切）、Ⅲ型裂紋（垂直應力面撕裂型）。其中，Ⅰ型裂紋的裂紋面垂直于所受力的方向，Ⅱ型裂紋為剪應力作用下滑移形成的裂紋，Ⅲ型裂紋是在拉應力作用下向內外方向撕裂的裂紋。

三種裂紋擴展的判據分別為三種裂紋的強度因子與巖石的斷裂韌度相等，即

式中：i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，Ki為裂紋的應力強度因子，Kic為巖石的斷裂韌度。

三、裂隙的擴展對危巖失穩模式的影響

本文以三峽航道某危巖為例，分析了裂紋擴展對同類型危巖失穩模式變化的影響。

該危巖上部為堅硬的泥質灰巖，強度高?；糠譃閺婏L化泥質灰巖，強度相對較低?；恢玫幕鶐r在上部荷載、水與溫度等共同作用下出現了劈裂狀裂縫。裂縫加速了基巖的風化速度，逐漸在軟弱基巖地方形成了巖腔。危巖后緣邊界由于拉應力形成了拉張裂隙，巖石后部因發育多組裂縫且多組裂縫相互切割而獨立。基座部分在三峽庫區冬季蓄水時浸泡在水中，夏季水位下降時露出水面，處于干濕循環環境。

危巖后緣的裂隙擴展的速度由巖石自重及裂隙水壓控制；下部基巖裂紋擴展速度受上部巖石自重壓力和庫水反復浸泡作用的控制，下部基巖裂紋擴展決定了巖腔的風化速度。

對于后緣存在張拉裂隙、基座存在軟弱巖層的危巖來說，后緣張拉裂隙與基座軟巖中裂隙的擴展速度影響著危巖的失穩模式。

圖1 ?危巖

圖2 ?滑塌式危巖

圖3 ?傾倒式危巖

當后緣拉張裂隙裂紋擴展速度大于基座軟巖中裂紋的擴展時，后緣裂紋先于基座裂紋貫通，危巖后緣形成貫通的裂隙面時，危巖沿裂隙面滑動失穩破壞，便形成滑塌式危巖，如圖2所示，裂隙擴展。這時，后緣裂隙成為危巖失穩的主控結構面。

反之，危巖基座軟巖裂紋擴展速度先于后緣裂紋擴展時，基座軟巖逐漸被侵蝕，巖腔逐漸擴大后移，直至危巖重心接近臨空或臨空后，危巖自重加速后緣裂隙發展，最終危巖發生傾倒破壞，形成傾倒式危巖，如圖3所示，巖腔后退。這時，基座軟巖成為控制危巖失穩的關鍵。

對于類似危巖類型，可采取“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的方法治理。

1.錨桿固定：在危巖上施工錨桿，錨桿穿過危巖后緣裂隙面，固定在后緣穩定基巖上。

2.封閉巖腔：巖腔擴展較小時，采用混凝土填滿巖腔進行封閉，一方面防止巖腔進一步風化，另一方面為危巖提供支撐力。巖腔擴展較大時，在巖腔中按規范計算設計混凝土柱，支撐危巖，可采用膨脹混凝土。

3.封閉后緣張拉裂隙：采用混凝土灌填封閉危巖后緣張拉裂縫，防止雨水滲入，引起裂隙水壓，降低危巖的穩定性。

四、結語

本文根據后緣存在裂隙面、基座存在軟弱巖層類型的危巖分析，基于其裂縫及裂紋擴展速度的差異，揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖產生的機制，得出滑塌式危巖中后緣裂隙為危巖失穩的主控結構面；傾倒式危巖中基座軟巖為控制危巖失穩關鍵的結論。對于類似的危巖，本文提出可以采用“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的措施治理。