復(fù)雜裂隙巖體力學(xué)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(shè)計院有限公司 重慶市 400067)

在邊坡、隧道及地下工程中，復(fù)雜裂隙和復(fù)雜節(jié)理巖體的空間分布方式、界面接觸狀態(tài)對巖質(zhì)邊坡、隧道工程的力學(xué)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(xué)行為研究主要是基于連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)兩種力學(xué)方法進行分析，前者形成的節(jié)理模型大多應(yīng)用于裂隙發(fā)育、宏觀節(jié)理較多的巖質(zhì)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(fù)雜多樣，力學(xué)特性相當(dāng)復(fù)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(xué)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(shè)計科學(xué)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(xué)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(zhì)不同，物理力學(xué)性能差異很大[5]。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會常規(guī)做法，采用Φ50×150的試件，預(yù)設(shè)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(xué)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(xué)性質(zhì)和天然巖石接近的混凝土配比配置用于力學(xué)損傷室內(nèi)試驗的試件[6]。測試設(shè)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(shè)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(xué)損傷試驗試件與設(shè)備

2 力學(xué)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(yīng)力應(yīng)變曲線和彈性模量測試結(jié)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(xué)試驗結(jié)果

圖3 不同節(jié)理傾角應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 不同節(jié)理傾角試件峰值強度與彈性模量結(jié)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(nèi)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(jié)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(xué)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(yù)設(shè)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(xué)性能越差。

表6 不同節(jié)理數(shù)量力學(xué)試驗結(jié)果

圖5 不同節(jié)理數(shù)量應(yīng)力-應(yīng)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(jié)果

2.3 不同節(jié)理貫通度

試驗方案預(yù)設(shè)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(yīng)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(xué)試驗結(jié)果

圖7 不同節(jié)理貫通度應(yīng)力-應(yīng)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(jié)果

2.4 不同夾層厚度

通過分別預(yù)設(shè)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(yīng)力-應(yīng)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(xué)性能越差。

表8 不同夾層厚度力學(xué)試驗結(jié)果

圖9 不同夾層厚度應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 不同夾層厚度試件峰值強度與彈性模量結(jié)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(yīng)力平行的方向破壞[8]。傾角為0°時，最大主應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(yīng)越明顯。2條以上節(jié)理的試件，則最上側(cè)節(jié)理面最先發(fā)生破壞，下半部分出現(xiàn)與主應(yīng)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(yīng)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(cè)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(cè)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(xué)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(yīng)力，τn為剪應(yīng)力，節(jié)理傾角為0°時，節(jié)理面上的剪應(yīng)力τn對剪切效應(yīng)可以忽略，該力學(xué)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(yīng)力τn對的驅(qū)動力實際由σ完全提供，該力學(xué)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(jié)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(fù)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(yīng)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(yīng)變增幅逐漸變大，節(jié)理裂隙出現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)展，應(yīng)力增加至0.9σf后，應(yīng)力增幅放緩，應(yīng)變繼續(xù)增大，最后達到最大峰值應(yīng)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(yīng)、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(yīng)力應(yīng)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(jié)論

以力學(xué)損傷理論為基礎(chǔ)，以室內(nèi)試驗為支撐，通過預(yù)設(shè)不同節(jié)理傾角、數(shù)量、貫通度的試件模型，測試其應(yīng)力-應(yīng)變和彈性模量等力學(xué)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(jié)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(yīng)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(xué)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。