復雜裂隙巖體力學損傷特性與破壞機理分析

張小莉，盧仲鑫，薛曉衛(wèi)，楊紅成，辛順超，滕振華

(1. 深圳市盛業(yè)地下工程有限公司 深圳市 518026； 2.中鐵七局集團鄭州工程有限公司 鄭州市 450052；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶市 400067)

在邊坡、隧道及地下工程中，復雜裂隙和復雜節(jié)理巖體的空間分布方式、界面接觸狀態(tài)對巖質邊坡、隧道工程的力學損傷、破壞機理、變形特征有直接影響[1-2]。目前，針對巖體力學行為研究主要是基于連續(xù)介質和離散介質兩種力學方法進行分析，前者形成的節(jié)理模型大多應用于裂隙發(fā)育、宏觀節(jié)理較多的巖質邊坡等工程的小變形問題，后者則是針對裂隙和節(jié)理切割成塊狀后巖塊在較強荷載下的破損、開裂、垮塌等[3-4]。然而，由于工程實踐中，巖體裂隙復雜多樣，力學特性相當復雜。因此，針對節(jié)理傾角、節(jié)理數(shù)量、貫通特性等特點進行力學損傷特性分析以及對其破壞機理進行分析，對提高邊坡、隧道及地下工程的設計科學準確性和提高巖體施工的安全可靠性具有重要意義。

1 試驗方案

1.1 力學損傷試驗方案

不同傾角、長度、數(shù)量以及節(jié)理之間夾雜的物質不同，物理力學性能差異很大[5]。根據(jù)國際巖石力學學會常規(guī)做法，采用Φ50×150的試件，預設5組不同傾角、4組不同節(jié)理數(shù)量、5組不同節(jié)理貫通程度以及4組不同軟弱填充夾層厚度進行試驗，每組制備4個試件。試驗方案及方案代號，見圖1和表1～表4。其中，“QJ”表示“傾角”，“JLS”表示“節(jié)理數(shù)”，“GT”表示“貫通”，“JC”表示“夾層”。

表4 不同夾層厚度試驗方案

圖1 力學損傷試驗方案示意圖

表1 不同節(jié)理傾角試驗方案

表2 不同節(jié)理數(shù)量試驗方案

1.2 試件制備與測試方法

為準確模擬各種裂隙條件對試件受力特征的影響，采用物理力學性質和天然巖石接近的混凝土配比配置用于力學損傷室內試驗的試件[6]。測試設備采用微機伺服多功能壓力試驗機，其最大加載力為200kN，此次試驗采用位移控制法，速率為4mm/min，測試試件及設備如圖2所示。

表3 不同節(jié)理貫通程度試驗方案

圖2 力學損傷試驗試件與設備

2 力學損傷試驗

2.1 不同節(jié)理傾角

表5、圖3和圖4為不同節(jié)理傾角應力應變曲線和彈性模量測試結果。傾角為0°和90°的試件單軸峰值抗壓強度分別為24.1MPa和26.9MPa，與完整試件接近，但峰值過后脆性特性體現(xiàn)出來，試件瞬間破壞。30°～60°傾角時的單軸抗壓強度降低有一個過程，具有較強的塑性破壞特點。彈性模量顯示，0°傾角和完整試件的彈性模量最大，分別為3.98GPa和4.05GPa，其次90°傾角為2.88GPa。傾角為60°的峰值強度和彈性模量均最小。

表5 不同節(jié)理傾角力學試驗結果

圖3 不同節(jié)理傾角應力-應變曲線

圖4 不同節(jié)理傾角試件峰值強度與彈性模量結果

2.2 不同節(jié)理數(shù)量

不同節(jié)理數(shù)量試驗方案采用45°傾角，節(jié)理間隔為25mm。由圖5、圖6可知，隨著節(jié)理數(shù)量的增加，無論是單軸峰值抗壓強度還是彈性模量均呈下降趨勢。其中，無節(jié)理試件的單軸峰值抗壓強度為23.13MPa。由于室內模擬試件通過均勻混凝土制備，因此和天然石塊相比，測試結果具有一定差異，但是更能準確地表征不同節(jié)理數(shù)量下的力學性能變化規(guī)律。由圖6可知，完整巖體的彈性模量為1.76GPa，節(jié)理條數(shù)越多，彈性模量越小，預設節(jié)理數(shù)量為3條時，彈性模量為0.45GPa，比無節(jié)理狀態(tài)降低了1.31GPa，約74.4個百分點。而節(jié)理對峰值抗壓強度的影響則十分明顯，1條節(jié)理抗壓強度僅為8.56MPa，為完整巖體強度的37%。節(jié)理數(shù)量從1條增加到3條時，彈性模量降低了65%，峰值抗壓強度降低了30.7%。由此可知，節(jié)理從無到有，會對抗壓強度帶來極其不利影響，節(jié)理數(shù)量越多，力學性能越差。

表6 不同節(jié)理數(shù)量力學試驗結果

圖5 不同節(jié)理數(shù)量應力-應變曲線

圖6 不同節(jié)理數(shù)量試件峰值強度與彈性模量結果

2.3 不同節(jié)理貫通度

試驗方案預設5種節(jié)理貫通度，由圖7可知，隨著貫通度從0增至全部貫通，試件峰值強度逐漸降低，相同應變下的強度也隨之降低。任何貫通度均會引起試件彈性模量降低，貫通度對峰值抗壓強度影響較為明顯[7]。完整巖體的峰值抗壓強度為23.13MPa，貫通1/3時為18.4MPa，完全貫通時的強度為8.56MPa。然而，貫通度從1/3增至完全貫通時，彈性模量在1.29～1.39GPa之間，基本相等，變化幅度極小。因此，貫通度對巖體彈性變形影響較小，對塑性變形影響較大，見圖8。

表7 不同節(jié)理貫通度力學試驗結果

圖7 不同節(jié)理貫通度應力-應變曲線

圖8 不同節(jié)理貫通度試件峰值強度與彈性模量結果

2.4 不同夾層厚度

通過分別預設0mm、1mm、3mm、5mm夾層厚度，節(jié)理傾角為45°對不同夾層厚度的影響進行研究。由圖9、圖10可知，夾層厚度越大，應力-應變曲線中的峰值抗壓強度越低，夾層厚度為1mm的峰值抗壓強度為16.93MPa，3mm的強度為9.99MPa，5mm的強度為7.22MPa。厚度1mm夾層相對于完整巖體的強度降低了26.8%，厚度3mm降低了56.8%，厚度5mm降低了68.8%。夾層厚度越大，試件彈性模量越小，夾層厚度為1mm時，彈性模量為1.19GPa，相對于完整巖體的1.76GPa降低了32.4%，厚度為3mm時降低了65.34%，厚度為5mm時降低了77.8%。因此，巖體裂隙越大，裂隙之間的夾層若強度較低，其厚度越大，巖體力學性能越差。

表8 不同夾層厚度力學試驗結果

圖9 不同夾層厚度應力-應變曲線

圖10 不同夾層厚度試件峰值強度與彈性模量結果

3 破壞機理分析

3.1 試件破壞模式

測試過程中，試件主要破壞規(guī)律為張拉破壞和剪切破壞，無節(jié)理試件基本沿著與主應力平行的方向破壞[8]。傾角為0°時，最大主應力方向和節(jié)理面垂直，由于加載界面的約束和節(jié)理面對力學效應的分散作用，上下兩層分別以張拉破壞為主。傾角為30°～60°時，受到壓縮和剪切同時作用。傾角越大，剪切效應越明顯。2條以上節(jié)理的試件，則最上側節(jié)理面最先發(fā)生破壞，下半部分出現(xiàn)與主應力平行的裂紋。完整試件破壞方式為張拉破壞，破壞面和主應力方向平行，貫通1/3、1/2、2/3的試件，以節(jié)理延伸線為界限，界限上側主要是剪切破壞，貫通度為1/3的試件，局部出現(xiàn)張拉破壞跡象，界限下側之主要為張拉破壞，而節(jié)理的夾層厚度對模式影響相對較小，代表性破壞模式如圖11所示。

圖11 代表性破壞模式圖

3.2 節(jié)理上的受力機理

根據(jù)彈塑性力學理論，由圖12可知，裂隙試件單軸試驗中，σn為垂直于節(jié)理裂的正應力，τn為剪應力，節(jié)理傾角為0°時，節(jié)理面上的剪應力τn對剪切效應可以忽略，該力學狀態(tài)可視為純壓，其破壞形式主要是張拉破壞。角度為90°時，剪應力τn對的驅動力實際由σ完全提供，該力學狀態(tài)可視為純剪。然而，節(jié)理傾角0

圖12 節(jié)理面受力分析示意圖

τs=τn-μσn

因此，節(jié)理傾角0

3.3 裂隙擴展與屈服破壞機制

根據(jù)試驗規(guī)律，結合現(xiàn)有研究成果，由圖13可知，O～A段主要是節(jié)理壓縮密實，A～B段節(jié)理發(fā)生可恢復的彈性變形，B～C段節(jié)理開始相對穩(wěn)定的發(fā)展，裂隙逐漸延伸，該階段的應力大約為0.4～0.6倍峰值抗壓強度σf，隨著壓力逐漸增大，應變增幅逐漸變大，節(jié)理裂隙出現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)展，應力增加至0.9σf后，應力增幅放緩，應變繼續(xù)增大，最后達到最大峰值應力σf后進入瞬時屈服破壞階段，即到達圖中E點，該點也是臺階式屈服破壞的起點。在E～F階段，由于損傷界面的摩擦效應、彈塑性變形等因素影響，加載過程中，出現(xiàn)積攢能量和集中釋放的規(guī)律。因此應力應變呈臺階式發(fā)展，最終到達試件破壞失效點F。

圖13 節(jié)理巖體破壞機制示意圖

4 結論

以力學損傷理論為基礎，以室內試驗為支撐，通過預設不同節(jié)理傾角、數(shù)量、貫通度的試件模型，測試其應力-應變和彈性模量等力學特性，并對破壞模式、節(jié)理面受力特征、裂隙擴展機制等進行分析。結果表明：0°節(jié)理主要張拉破壞，90°主要是剪切破壞，其余為壓-剪破壞，節(jié)理傾角越小，剪切壓桿效應越明顯，張拉破壞影響越大；節(jié)理數(shù)量越多，貫通度越大，夾層厚度越大，力學性能越差。裂隙巖體受力過程中，裂隙擴展主要為節(jié)理壓密-彈性變形-裂隙穩(wěn)定發(fā)展(塑性)-不穩(wěn)定發(fā)展-破壞的過程。巖體破壞過程中會存在能量積累和集中釋放現(xiàn)象。