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，楊紅成，辛順超，滕振華

(1. 深圳市盛業地下工程有限公司 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，復雜裂隙和復雜節理巖體的空間分布方式、界面接觸狀態對巖質邊坡、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介質和離散介質兩種力學方法進行分析，前者形成的節理模型大多應用于裂隙發育、宏觀節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，針對節理傾角、節理數量、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、數量以及節理之間夾雜的物質不同，物理力學性能差異很大[5]。根據國際巖石力學學會常規做法，采用Φ50×150的試件，預設5組不同傾角、4組不同節理數量、5組不同節理貫通程度以及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“節理數”，“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 不同節理傾角試驗方案

表2 不同節理數量試驗方案

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 不同節理傾角

表5、圖3和圖4為不同節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 不同節理傾角力學試驗結果

圖3 不同節理傾角應力-應變曲線

圖4 不同節理傾角試件峰值強度與彈性模量結果

2.2 不同節理數量

不同節理數量試驗方案采用45°傾角，節理間隔為25mm。由圖5、圖6可知，隨著節理數量的增加，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理數量下的力學性能變化規律。由圖6可知，完整巖體的彈性模量為1.76GPa，節理條數越多，彈性模量越小，預設節理數量為3條時，彈性模量為0.45GPa，比無節理狀態降低了1.31GPa，約74.4個百分點。而節理對峰值抗壓強度的影響則十分明顯，1條節理抗壓強度僅為8.56MPa，為完整巖體強度的37%。節理數量從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，節理從無到有，會對抗壓強度帶來極其不利影響，節理數量越多，力學性能越差。

表6 不同節理數量力學試驗結果

圖5 不同節理數量應力-應變曲線

圖6 不同節理數量試件峰值強度與彈性模量結果

2.3 不同節理貫通度

試驗方案預設5種節理貫通度，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 不同節理貫通度力學試驗結果

圖7 不同節理貫通度應力-應變曲線

圖8 不同節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，試件主要破壞規律為張拉破壞和剪切破壞，無節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理面垂直，由于加載界面的約束和節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條以上節理的試件，則最上側節理面最先發生破壞，下半部分出現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，局部出現張拉破壞跡象，界限下側之主要為張拉破壞，而節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 節理上的受力機理

根據彈塑性力學理論，由圖12可知，裂隙試件單軸試驗中，σn為垂直于節理裂的正應力，τn為剪應力，節理傾角為0°時，節理面上的剪應力τn對剪切效應可以忽略，該力學狀態可視為純壓，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，該力學狀態可視為純剪。然而，節理傾角0

圖12 節理面受力分析示意圖

τs=τn-μσn

因此，節理傾角0

3.3 裂隙擴展與屈服破壞機制

根據試驗規律，結合現有研究成果，由圖13可知，O～A段主要是節理壓縮密實，A～B段節理發生可恢復的彈性變形，B～C段節理開始相對穩定的發展，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，節理裂隙出現不穩定發展，應力增加至0.9σf后，應力增幅放緩，應變繼續增大，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，出現積攢能量和集中釋放的規律。因此應力應變呈臺階式發展，最終到達試件破壞失效點F。

圖13 節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，通過預設不同節理傾角、數量、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、節理面受力特征、裂隙擴展機制等進行分析。結果表明：0°節理主要張拉破壞，90°主要是剪切破壞，其余為壓-剪破壞，節理傾角越小，剪切壓桿效應越明顯，張拉破壞影響越大；節理數量越多，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，裂隙擴展主要為節理壓密-彈性變形-裂隙穩定發展(塑性)-不穩定發展-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象。