裂隙在巖石力學(xué)性質(zhì)中的影響原理

孫寶成

（山東科技大學(xué)，山東 泰安 271000）

0 引言

在世界各地交通以及基站的建設(shè)過程中，我們在施工中會遇到各種不同的地質(zhì)問題，其中不免會越來越復(fù)雜。尤其在隧道建設(shè)，鐵路工程建設(shè)和其他諸多巖土工程中，如遇到圍巖節(jié)理發(fā)育完善的環(huán)境，會在施工過程中增添無數(shù)麻煩。其中因為各種巖石在不同的地質(zhì)構(gòu)造中長時間存在，構(gòu)成了各種不同的地質(zhì)現(xiàn)象，如節(jié)理，斷層破碎帶等。而巖體的不均勻性，不連續(xù)性及其不穩(wěn)定性得以充分體現(xiàn)，同時如造成巖體失穩(wěn)被破壞的現(xiàn)象，則極有可能是由于各種巖體相互作用以及環(huán)境條件下流體進行滲透在裂隙中產(chǎn)生極大壓力而造成的。

1 巖石斷裂理論現(xiàn)狀

斷裂的現(xiàn)象在自然領(lǐng)域中普遍存在，在此背景下斷裂力學(xué)得到了充分發(fā)展。斷裂力學(xué)最初的分析目標(biāo)是金屬材料等素材，也獲得了許多值得借鑒的研究成果。

Griffith 指出，材料中有著很多微裂紋。微裂紋是由于各種應(yīng)力的集中從而造成了裂紋向巖石各處以及深處的擴張，最后所研究的巖石材料被完全破壞。在這種條件下，研究并創(chuàng)建了了Griffith 強度準(zhǔn)則。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)在含金屬材料中的限制性，Irwin 改進了Griffith 的強度標(biāo)準(zhǔn)，并且巧妙地將它運用到了所研究的材料中，同時加以改正與創(chuàng)新創(chuàng)造了基于彈性脆性材料的斷裂準(zhǔn)則，自此在研究方向上創(chuàng)造了《線性條件下的斷裂力學(xué)》。

據(jù)有限元拓展方法，我們可以得出I 型應(yīng)力水平因子對裂紋擴展過程的作用，以及閉合裂紋在壓縮載荷效力下擴張環(huán)節(jié)的數(shù)值模擬是本文基本研究內(nèi)容。

實驗中在分析非閉合裂紋在巖石材料中的斷裂擴張過程中，實驗室中使用實驗儀器分析研究了裂紋斷裂過程與模式，并得出一系列理論，

同時使用數(shù)值舉例論證的方法研究了裂隙在尖端應(yīng)力場中的幾何特征。舉例如：對巖石材料的壓縮斷裂試驗表明，所見的閉合裂隙與非閉合裂隙兩者的差異以及對所處巖石材料的影響。

2 巖石流變理論的研究現(xiàn)狀

流變學(xué)說的是隨著時間的推移，對材料織物或骨架進行連續(xù)的調(diào)整和重組，在巖石學(xué)方面造成其應(yīng)力應(yīng)變情況的持續(xù)增長，以及變化。項目材料存在相應(yīng)的流變性能，由于節(jié)理裂隙的切割，還有分布，堅硬巖體也反映出流變特點。只要巖土介質(zhì)的承載力的不斷作用，就會出現(xiàn)巖土介質(zhì)的流變特性，流變持續(xù)時間與應(yīng)力水平相關(guān)。當(dāng)應(yīng)力達到或者遠遠大于巖土材料的流變下限所處的強度時，隨著時間的推移，所研究材料將逐漸出現(xiàn)流變變形并急劇增強，最終巖體材料被徹底破壞。在巖體工程材料流變學(xué)的分析過程中，巖石地基、以及隧道項目等存在關(guān)鍵實用價值的意義，一般包括應(yīng)力蠕變、松弛、以及滯回效應(yīng)。巖體的蠕變特性和巖石項目、隧道設(shè)計建設(shè)密切相關(guān)，該領(lǐng)域的分析工作也顯示了項目的實用價值。以灰?guī)r和砂巖為例，展開了單軸，以及三軸壓縮下的蠕變試驗。提出巖石流變學(xué)的破壞機理：一般是低圍壓下裂隙的發(fā)育，以及滲透以及高圍壓下的內(nèi)孔坍塌。

實驗室中利用單軸壓縮蠕變試驗研究了平常易得常見巖石在飽水、風(fēng)干兩種極限條件下的蠕變特性。以斜長石為例，提出飽和條件巖石實現(xiàn)穩(wěn)定蠕變所必要的時間大于風(fēng)干條件下巖石所必要的時間。孫軍（2007）還系統(tǒng)闡述了近年來軟、硬巖及節(jié)理裂隙巖體的流變試驗、流變模型識別、流變力學(xué)措施，還有巖石流變損傷和破裂的分析進展。

在巖石流變理論中，當(dāng)應(yīng)力不變，應(yīng)力隨時間增大的現(xiàn)象為蠕變;反言之則稱為巖石流變。目前常用的描述巖石流變特性的方法有兩種：一種是經(jīng)驗法，也就是利用實驗構(gòu)建經(jīng)驗流變模型，來研究巖石的流變特征；另一種研究方式是按照巖石的基本流變特性從而構(gòu)建基本的本構(gòu)方程，進行研究巖石流變特征的地質(zhì)元件模型。

3 裂隙在巖體材料中的斷裂機理

裂隙巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，以及長期穩(wěn)定性是由于巖石自身的流變特性和其他各種水平因素的缺失而決定的，自Griffith 指出能量擴張準(zhǔn)則開始，很多專家對含裂紋連接材料的蠕變斷裂，還有斷裂損傷機理展開了較多的分析。

在實驗室中使用電鏡儀器研究了花崗巖裂縫在荷載作用下的流變損傷機理。結(jié)論得出：當(dāng)外載荷實現(xiàn)相應(yīng)程度時，裂紋數(shù)量隨時間增加而增加。在加速應(yīng)變過程中，裂紋的組合，以及消失是材料失效的最基本因素。

即使在較為完善的流變力學(xué)實驗中，很少有結(jié)果能有效地指導(dǎo)工程實踐。其一，巖石的流變特性被礦物組成、膠結(jié)水平、構(gòu)架面分布、埋藏深度、地溫梯度、地應(yīng)力等地質(zhì)環(huán)境因素所干擾。其二，流變試驗與其他同等實驗相比性價比低，所以我們需要在研究方向可以進行更多實驗并采取一個準(zhǔn)確，有效的流變模型進行分析工程實踐中的流變規(guī)律及其產(chǎn)物市非常必要的。

4 影響未來展望

根據(jù)流變性能的大部分試驗，所研究的巖石材料所具有的流變規(guī)律是各種因素造成的，其中地應(yīng)力，時間，膠結(jié)水平以及所在地層面為止是主要的干擾因子，而實驗室條件有限不可能還原所有條件進行完整研究。其二，實驗室中進行的流變試驗無法進行加速，從而導(dǎo)致了一場實驗需要進行多年，不僅耗時耗力，實驗結(jié)果也不一定與預(yù)期效果相同。

綜上所述，我們?nèi)孕枥幂^多的試驗，進行總結(jié)研究，并且在研究過程中需要采取一個準(zhǔn)確且有效的流變本構(gòu)模型進行分析工程巖體材料的流變規(guī)律。