交叉節(jié)理類(lèi)巖石裂隙擴(kuò)展規(guī)律研究

陳云娟劉洪釗尹福強(qiáng)崔亦秦劉華軍

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102；3.山東建筑大學(xué)資產(chǎn)處，山東濟(jì)南250101)

0 引言

自然界巖體含有許多形態(tài)各異、大小不等的不連續(xù)面，其存在很大程度上影響了巖體的力學(xué)特性和強(qiáng)度特性。交叉節(jié)理是自然界巖體不連續(xù)面的一種普遍存在形式，研究交叉節(jié)理巖體受壓條件下的破壞規(guī)律對(duì)于巖體工程穩(wěn)定性分析具有重要意義[1-4]。由于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)裝置的限制，目前的研究主要集中于單節(jié)理、平行節(jié)理、斷續(xù)節(jié)理、洞室等不連續(xù)體形式，對(duì)于交叉節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律的研究比較少。

近幾年，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注并深入研究交叉節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展的規(guī)律。李露露等[5]研究了三叉裂隙類(lèi)巖石試樣在單軸壓縮條件下的破壞規(guī)律，分析了交叉裂隙角度的影響和巖樣的破裂形式；Liu等[6]對(duì)T型和單X型節(jié)理試件的裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Cao等[7]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了不連續(xù)交叉節(jié)理類(lèi)巖石試件單軸壓縮條件下的破壞過(guò)程，并分析了能量釋放機(jī)理。張波等[8-11]將交叉裂隙預(yù)置為主裂隙和次裂隙，研究了交叉裂隙試樣的破壞機(jī)制，并分析了錨固位置對(duì)節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響；此外，文獻(xiàn)[12-16] 研究了水流在巖體交叉裂隙中的運(yùn)移問(wèn)題，并分析了交叉裂隙巖體的滲流特性。

盡管已有的研究取得了較大的進(jìn)展，但成果多集中于單交叉裂隙的擴(kuò)展形態(tài)及強(qiáng)度研究方面。文章基于已有的研究成果，依據(jù)可重復(fù)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)快速的原則，配制單X貫通型和雙X型交叉節(jié)理類(lèi)巖石試件，研究其在單向壓縮條件下的裂隙擴(kuò)展規(guī)律，并采用非連續(xù)變形分析方法DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure)，仿真模擬巖體裂隙擴(kuò)展的非連續(xù)變形路徑，共同揭示交叉節(jié)理類(lèi)巖石的裂隙擴(kuò)展機(jī)理，可為巖體工程安全施工和穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)。

1 單X型交叉節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)研究

選用的巖石原型為砂巖。經(jīng)過(guò)多次配比優(yōu)選試驗(yàn)，最終確定類(lèi)巖石材料選用砂子、水泥、減水劑和水，其質(zhì)量配比為 0.97∶1.00∶0.03∶0.30。 其中，砂子為普通河砂，采用1.18、0.60、0.30和0.15 mm等4種顆粒級(jí)配，其質(zhì)量比為 1.33∶1.11∶1.00∶1.00；水泥選用標(biāo)號(hào)為42.5的普通硅酸鹽水泥。采用減水劑可以起到降低水與水泥的用量、減少水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間及提高水泥砂漿的可塑性等作用。節(jié)理采用聚氯乙烯薄片來(lái)模擬制作，其尺寸為0.5 mm×15 mm。類(lèi)巖石試件加工尺寸為140 mm×70 mm×45 mm，澆筑完成后，先在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)約2周，待其物理力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定后，再進(jìn)行加載分析。類(lèi)巖石試件加工模具如圖1所示。單X型節(jié)理角度和加工完成的部分單X型節(jié)理類(lèi)巖石試件，分別如圖2、3所示。

圖1 試件加工模具圖

圖2 單X型節(jié)理角度示意圖

圖3 單X型交叉節(jié)理類(lèi)巖石試件圖

通過(guò)聲發(fā)射儀選取聲速穩(wěn)定的類(lèi)巖石試件進(jìn)行單向壓縮條件下的裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)研究，交叉節(jié)理角度組合分別為 30°＆ 45°，45°＆ 45°和45°＆ 60°，每種工況15塊。對(duì)類(lèi)巖石試件進(jìn)行常規(guī)單軸加載試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用山東建筑大學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的微機(jī)控制電液伺服機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)拉伸、抗壓、剪切和彎曲測(cè)試等功能。試驗(yàn)過(guò)程中先對(duì)試件進(jìn)行力控制，再進(jìn)行位移控制，壓縮過(guò)程適時(shí)錄像并記錄其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)。試件加載完成后，單X型節(jié)理試件的破裂形態(tài)如圖4所示，紅色節(jié)理為主裂隙擴(kuò)展節(jié)理，綠色節(jié)理為次裂隙擴(kuò)展節(jié)理。

圖4 單X型節(jié)理試件裂隙擴(kuò)展圖

由圖4可知，單X型節(jié)理試件受到豎向壓縮后，紅色節(jié)理作為起裂節(jié)理，試件主要沿紅色節(jié)理進(jìn)行裂隙擴(kuò)展，紅色節(jié)理裂隙擴(kuò)展的規(guī)模和范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠色節(jié)理。當(dāng)左右2條節(jié)理角度相同時(shí)(45°＆45°組合)，類(lèi)巖石試件受到單軸壓縮應(yīng)力后，2條節(jié)理的受力條件較為一致，能量釋放程度處于同步狀態(tài)，基本沒(méi)有強(qiáng)弱之分；而當(dāng)左右2條節(jié)理角度不相同時(shí)(30°＆ 45°組合以及 45°＆ 60°組合)，類(lèi)巖石試件受到單軸壓縮應(yīng)力后，打破了原有的均衡應(yīng)力狀態(tài)，與此同時(shí)，2條節(jié)理的能量釋放程度也不相同，裂隙會(huì)以其中一條節(jié)理的裂隙擴(kuò)展為主，儲(chǔ)存的能量也主要伴隨該節(jié)理裂隙的擴(kuò)展貫通而釋放。

2 雙X型交叉節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)研究

自然界中巖體的交叉節(jié)理往往不是單一的，由于長(zhǎng)期受到自然地質(zhì)的作用，巖體會(huì)出現(xiàn)各種各樣的交叉節(jié)理，因此，為了進(jìn)一步反應(yīng)自然界中巖體交叉節(jié)理的狀態(tài)，在單X型節(jié)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)雙X型節(jié)理試件的裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。雙X型節(jié)理試件的示意圖和制作的部分類(lèi)巖石試件如圖5(a)～(d)所示。試件受到單向壓縮作用后，試件的裂隙擴(kuò)展形態(tài)如圖5(e)～(l)所示。

圖5 雙X型節(jié)理試件裂隙擴(kuò)展圖

由圖5可知，雙X型節(jié)理試件受到單向壓縮作用后，大約1/2的類(lèi)巖石試件中，上端一組X型節(jié)理在裂隙擴(kuò)展過(guò)程中起著主控作用，能量釋放主要沿著該組裂隙的擴(kuò)展進(jìn)行，最終達(dá)到新的應(yīng)力平衡，試件的破裂形態(tài)如圖5(e)～(h)所示；同樣有一半的類(lèi)巖石試件，裂隙擴(kuò)展以下端一組X型節(jié)理為主，試件的破裂形態(tài)如圖5(i)～(l)所示。因此，其他影響因素相同的條件下，巖體受到壓縮作用，裂隙擴(kuò)展會(huì)從某組X型節(jié)理起裂，以該組節(jié)理為突破口并迅速擴(kuò)展、貫通來(lái)釋放儲(chǔ)存在巖體中的能量，而另一組X型節(jié)理相對(duì)來(lái)說(shuō)，裂隙擴(kuò)展規(guī)模和程度明顯小于該組節(jié)理。從目前試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該突破口X型節(jié)理組位置不太固定，上端和下端節(jié)理組作為突破節(jié)理組的幾率基本相等。

3 交叉節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展非連續(xù)變形仿真模擬

非連續(xù)變形分析方法既具有有限元方法中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)、力學(xué)推導(dǎo)理論，又具有像離散元方法一樣分析大位移、大變形的功能，是近幾年廣泛應(yīng)用于巖體工程穩(wěn)定性分析的數(shù)值分析方法[17-19]。為了與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比并進(jìn)行驗(yàn)證，采用非連續(xù)變形分析方法DDARF對(duì)交叉節(jié)理巖體的裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。DDARF是在DDA的基礎(chǔ)上由武漢巖土所焦玉勇和張秀麗提出來(lái)的，專(zhuān)門(mén)用于模擬巖體裂隙破壞的全過(guò)程，包括裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通直至最終的破壞[20]。

DDARF在計(jì)算過(guò)程中必須滿(mǎn)足3個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)條件:(1)位移的完全一階近似；(2)平衡方程和最小勢(shì)能原理；(3)塊體之間無(wú)嵌入無(wú)拉伸。DDARF在模擬巖體開(kāi)裂過(guò)程前，首先將計(jì)算模型利用行波法分為若干三角形單元，單元之間的接觸分為3種形式:角—角接觸、角—邊接觸和邊—邊接觸。其接觸處通過(guò)法向彈簧和切向彈簧實(shí)現(xiàn)塊體之間無(wú)嵌入無(wú)拉伸的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件(如圖6所示)。每個(gè)三角形單元的邊界定義為虛擬節(jié)理，作為巖體進(jìn)一步開(kāi)裂的可能路徑。當(dāng)虛擬節(jié)理達(dá)到它的強(qiáng)度極限時(shí)(利用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行判斷)，虛擬節(jié)理則變?yōu)檎鎸?shí)節(jié)理，節(jié)理的力學(xué)參數(shù)也相應(yīng)地由虛擬節(jié)理的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)節(jié)理的參數(shù)[20-22]。

圖6 DDARF塊體接觸理論圖

對(duì)類(lèi)巖石試件裂隙擴(kuò)展形態(tài)的DDARF數(shù)值模擬結(jié)果如圖7、8所示。

由圖7可知，對(duì)于單X型節(jié)理類(lèi)巖石試件，當(dāng)角度為30°＆45°時(shí)，30°節(jié)理的裂隙擴(kuò)展程度要弱于45°節(jié)理，裂隙擴(kuò)展以節(jié)理②為主；當(dāng)角度為45°＆45°時(shí)，單X節(jié)理組中兩條節(jié)理的裂隙擴(kuò)展程度相似；當(dāng)角度為45°＆60°時(shí)，60°節(jié)理的裂隙擴(kuò)展程度要輕于45°節(jié)理，裂隙擴(kuò)展以節(jié)理②為主。這與圖4試驗(yàn)結(jié)果具有較高的吻合性，即2條節(jié)理角度相同時(shí)，其裂隙擴(kuò)展規(guī)模較為同步；2條節(jié)理角度不同時(shí)，會(huì)以某條節(jié)理作為起裂節(jié)理，并主要沿該節(jié)理迅速擴(kuò)展貫通。該數(shù)值模擬結(jié)果同時(shí)也表明，角度不同時(shí)，45°節(jié)理裂隙擴(kuò)展程度更為劇烈。對(duì)于雙X型節(jié)理類(lèi)巖石試件，以①45°＆45°和 ②45°＆45°角度為例，裂隙擴(kuò)展會(huì)以某組X型節(jié)理為主，如圖8所示，裂隙擴(kuò)展以節(jié)理組①為主，在巖體的裂隙擴(kuò)展過(guò)程和能量釋放過(guò)程中，該組X型節(jié)理起著主控作用，這也與圖5試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖7 單X型節(jié)理巖體破裂形態(tài)DDARF模擬結(jié)果圖

圖8 雙X型節(jié)理巖體破裂形態(tài)DDARF模擬結(jié)果圖

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知:

(1)對(duì)于單X型節(jié)理巖體，當(dāng)左右節(jié)理角度相同時(shí)，2條節(jié)理的裂隙擴(kuò)展程度和規(guī)模基本相同；當(dāng)左右節(jié)理角度不同時(shí)，會(huì)以其中一條為起裂節(jié)理，并沿著該節(jié)理迅速擴(kuò)展貫通，成為能量釋放的主要路徑。

(2)對(duì)于雙X型節(jié)理巖體，受到壓縮作用后，某組X型節(jié)理會(huì)成為起裂的突破口，該組節(jié)理在裂隙擴(kuò)展過(guò)程中起著主控作用，直到試件達(dá)到新的平衡或直至試件破壞。

(3)DDARF在模擬巖體裂隙擴(kuò)展方面具有較高的精度，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，能夠和室內(nèi)試驗(yàn)共同作為研究手段，揭示交叉節(jié)理巖體的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。