緩傾層狀巖體各向異性力學性能與破裂特征研究

鄭傳湉 朱星宇 張志強

摘要： 為研究緩傾層狀巖體結構特性對其各向異性力學性能和破裂演化特征的影響，本文考慮不同結構面間距、強度、傾角等結構特征參數及模型尺寸效應，開展緩傾層狀砂泥巖多因素影響試驗研究. 基于顆粒流方法建立緩傾層狀巖體數值力學模型，通過室內試驗標定了層狀砂泥巖參數，并驗證了所建立模型的有效性. 通過顆粒流數值力學試驗，創新性地研究層狀巖體結構面的裂紋發育速率，進而揭示緩傾層狀砂泥巖強度各向異性及破裂演化特征，確立其力學特性與結構面間距、強度、傾角三個結構特性之間的關系. 研究結論：（1）引入的平節理模型（FJM）與光滑節理模型（SJM）建立的離散元力學模型，能表征緩傾層狀巖體強度各向異性力學特性與破裂演化過程；（2）緩傾層狀巖體切線模量與強度，隨層間距和層間強度的增大而增大，隨結構面傾角的增大而減小，破裂特征受結構面的影響逐漸增大，基于單組結構面理論計算結構面發生剪切破壞的臨界角度為24. 5°；（3）結構面裂紋的發育速度，隨結構面間距的增大而減小、隨結構面傾角的減小而減小，隨結構面強度的變化不明顯. 本文研究結果為緩傾層巖體隧道的力學行為與圍巖穩定性研究提供了參考.

關鍵詞： 緩傾層狀巖體； 各向異性； 顆粒流； 破裂特征； 平節理模型； 光滑節理模型

中圖分類號： TU45 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034004

1 引言

在砂泥巖、頁巖、板巖等沉積巖為主的地層中，通常存在發育良好的結構面，它具有強烈的各向異性特征，且不同的結構特性通常會引起巖石力學特性的顯著差異，進而對工程建設期及運營維護期內圍巖和結構穩定性產生不可忽略的重要影響［1-4］. 對此，國內外學者進行了大量的研究.

在層狀圍巖隧道研究方面，張斌等［5］用3DEC軟件對不同傾角下圍巖應變場變化規律進行了研究. 李青剛等［6］通過現場監測研究了層狀圍巖的破壞模式與形成機制. 丁堯等［7］基于塊體離散元理論對層狀巖體隧道圍巖穩定性進行了數值模擬分析. 現有的研究難以對層狀巖體微裂紋的發育規律進行反演，并且在顆粒流方面對層狀巖體的微觀各向異性力學性能的研究尚不完善.

在基于顆粒流離散單元法研究方面，Hertz［8］計算了顆粒接觸區域內的壓力分布、接觸力以及接觸面的半徑等；Antoyuk 等［9］研究了顆粒間接觸力? 位移的本構方程的求解方法；Rumpf［10］與Schubert［11］的研究證實了連接的破裂力學行為由細觀的黏接本構模型決定以及顆粒細觀與宏觀的相關性；王朝陽等［12］對離散元顆粒流數值模型的參數標定方法進行了研究. 同時，針對層狀砂板巖的研究，何忠明等［13］、劉運思等［14］通過單軸及巴西劈裂試驗揭示了層狀板巖的各向異性強度特征和破壞機制；張鵬飛等［15］通過室內單軸以及巴西劈裂試驗分析了層狀砂巖的變形破裂過程.

學者們對層狀巖體強度特征、破壞機制以及數值模擬方法進行了研究，但現有研究存在以下幾個問題：（1）以往的試驗大多為標準巖石力學試驗試件，不能反映緩傾層狀巖體的尺度效應，對宏觀力學行為規律性的表征較弱；（2）采用有限元軟件難以對巖石裂紋發育進行反演，對破裂特征的表征較弱；（3）大多數值力學模型采用平行粘結模型，難以模擬壓拉比過大的巖石.

針對目前關于緩傾層狀巖體研究存在的問題，本文結合室內試驗和適用于層狀巖體的數值分析方法，對緩傾層狀砂泥巖開展研究. 采用具有自鎖效應的平節理模型模擬具有較大壓拉比的基質體，以光滑節理模型表征結構面滑移特性，建立緩傾層狀巖體數值力學模型，以單軸壓縮試驗驗證了所建模型的有效性，揭示了緩傾層狀巖體尺度效應. 基于試驗結果標定層狀砂泥巖模型細觀參數，進而分析結構面間距、強度、傾角等不同結構面特性影響下緩傾層狀巖體各向異性力學性能與破裂演化規律.

2 緩傾層狀巖石顆粒流數值力學模型

2. 1 Particle Flow Code（PFC）接觸模型簡介

2. 1. 1 光滑節理模型（SJM） SJM 可模擬具有膨脹性的平面界面的力學行為，不考慮界面上局部顆粒的接觸方向. 通過將SJM 分配給位于連接兩端的顆粒，可以對摩擦連接與膠結行為進行模擬. SJM 可模擬線彈性、膠結和摩擦的宏觀力學行為，見圖1. 膠結界面的行為是線彈性的，當超過其強度極限，粘結斷裂. 膠結的SJM 滿足庫倫破壞準則. 無粘結界面是線彈性且帶膨脹效應的摩擦界面，通過在剪切方向上施加庫侖極限來調節顆粒間的滑移.