裂隙巖體破裂演化研究進展

劉志芳，李小雙

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000）

隨著淺部資源露天礦的日益枯竭，一大批金屬或非金屬礦已進入深部開采[1-2]。深部巖體是一種由地應(yīng)力水平、 采動應(yīng)力及圍巖屬性共同影響的力學狀態(tài)[3]。長期露天爆破、機械開挖、風化活動等人工與自然活動的共同作用使得完整巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的層理、錯動帶、斷層、裂隙等非連續(xù)結(jié)構(gòu)面，這類非連續(xù)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)稱為裂隙巖體。在雨水、凍融、地震、人工擾動等因素的作用下該類巖體很容易誘發(fā)礦山邊坡體滑移變形破壞，造成工程事故頻發(fā)，給國家和人民造成重大的生命與財產(chǎn)損失。因此，深入認識裂隙巖體的破壞機理具有重要的科學意義與工程參考價值。

裂隙巖體的變形破壞是一種不連續(xù)、 各向異性、非彈性變形的損傷破壞。巖體微裂紋的擴展、匯合和貫通是巖體變形局部化破壞和失穩(wěn)的前兆。Yang 等通過預制單裂隙砂巖試樣進行了單軸壓縮試驗，結(jié)果表明，裂隙長度、傾角對裂隙巖體強度和變形破壞有較大的影響[4]。Wang 等采用單軸壓縮試驗，研究不同傾角、不同長度、不同寬度、不同數(shù)量的裂隙幾何參數(shù)對低強度巖石試樣力學性能和變形破壞模式的影響，結(jié)果表明，預存裂隙減小了超靜定應(yīng)力、彈性模量和軸向峰值應(yīng)變，但減小程度與預存裂隙幾何形狀密切相關(guān)[5]。申艷軍等對不同角度裂隙巖體在凍融循環(huán)作用下的局部損傷效應(yīng)進行分析，驗證了因局部化損傷效應(yīng)造成的端部斷裂特性及裂紋擴展路徑規(guī)律[6]。也有學者采用室內(nèi)力學試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析裂隙巖體在不同條件下的損傷破裂機制。汪子華等對預制單節(jié)理裂隙巖體進行單軸壓縮與FLAC3D數(shù)值模擬試驗，研究了節(jié)理面不同傾角、厚度、長度對單裂隙巖體抗拉強度的影響[7]。

綜合以上研究，目前裂隙巖體的研究重點仍是不同裂隙幾何參數(shù)對巖體整體強度的破壞演化機理，但工程巖體所具有的尺寸效應(yīng)，使得裂隙巖體的破裂演化與損傷機理有所差別。本文以裂隙巖體破裂演化為基礎(chǔ)，簡述了前人對裂隙巖體失穩(wěn)破壞演化研究成果，對裂隙巖體室內(nèi)小尺寸力學實驗、數(shù)值模擬實驗、大型工程尺寸模型實驗進行總結(jié)，指出當前裂隙巖體破裂機理研究所存在的問題，并提出具體解決方案。

1 裂隙巖體破裂演化機理

1.1 室內(nèi)小尺寸力學實驗裂隙擴展機理研究

對試件小尺寸割理、層理裂隙巖體，基于斷裂力學理論，眾多學者借助高分辨率數(shù)碼相機、掃描電鏡與CT 掃描機等先進儀器設(shè)備，通過模型材料或者真實巖石材料開展室內(nèi)單軸、雙軸和三軸壓縮試驗及直接剪切試驗，研究不同條件（巖橋傾角、裂隙間距、裂隙長度、裂隙數(shù)目、裂隙傾角與裂隙貫通度）、不同應(yīng)力（加載、卸載）等條件下巖體裂隙（裂紋）擴展演化與破裂機理。Sprunt 等首次采用掃描電鏡(SEM)開展巖石微裂紋擴展機理研究[8]。Bubeck 等通過CT 掃描巖石內(nèi)部裂紋擴展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖石內(nèi)部裂紋形狀呈現(xiàn)出亞球形孔隙到細長扁橢球體不均勻分布[9]。此外，由于含有裂隙巖石試樣制作的復雜性，且實驗材料類型的多樣化，許多學者采用不同材料的相似配比制作巖樣，眾多實驗表明采用實驗材料相似配比所測得的力學性質(zhì)與采用真實裂隙巖石進行室內(nèi)力學實驗結(jié)果相吻合。常用的相似配比試驗材料包括：水泥砂漿、哥倫比亞樹脂、石膏、聚氯乙烯（PVC）合成樹脂、有機玻璃等。Zhou 等利用3D 打印技術(shù)，將樹脂作為相似材料研究真實巖石樣本裂紋的擴展機理[10]。Yang 等采用將水泥、砂子、水等材料制作含有貫通裂隙的巖樣，進行室內(nèi)單軸壓縮實驗，試驗結(jié)果表明在單軸壓縮過程中，原生裂紋可加速翼裂紋擴展，并導致巖石試樣發(fā)生破壞[11]。雖然通過相似配比實驗材料可以在一定程度上得到與真實巖石相類似的試驗結(jié)果，但仍與真實裂隙巖石裂紋擴展機理有所區(qū)別。近幾年眾多學者通過現(xiàn)場取樣得到真實巖體，加工制作成不同裂隙傾角、數(shù)量、長度、間距、巖橋傾角等設(shè)定條件，多角度研究裂隙擴展演化機理。其中，單軸壓縮實驗是常用研究巖體力學特性常用的方法。李露露等對三叉裂隙巖石試樣進行室內(nèi)單軸壓縮實驗，分析了裂隙傾角的影響及巖樣的破壞機理[12]。結(jié)果表明：張拉破壞容易導致三叉裂隙在單軸壓縮條件下失效，當施加的荷載達到一定階段時，應(yīng)力會集中出現(xiàn)在裂隙尖端，然后出現(xiàn)新裂紋開始發(fā)育成破裂區(qū)，直至出現(xiàn)宏觀裂紋。但該研究并未深入探討其他不同幾何參數(shù)（巖橋傾角、裂隙長度、裂隙數(shù)目等）對微孔隙巖體力學特性的影響。蒲成志等通過預制多裂隙試件開展單軸壓縮實驗，揭示了裂隙傾角、裂隙密度對試件強度破壞具有較大影響[13]。王宇等以非貫通裂隙軟巖作為對象開展單軸壓縮試驗[14]。實驗結(jié)果表明：不同裂隙排數(shù)、傾角、裂紋深度會得到不同的裂紋類型與貫通機理。傾角相同，不同排數(shù)的試樣強度隨著裂隙貫通深度的增加而降低，單排裂隙基本以張拉破壞為主(不含60°傾角)裂隙則以剪切破壞為主，裂隙排數(shù)對試樣貫通機制起主導作用。

在實際工程中，巖體多承受其側(cè)向壓力的作用。成江對預制雙裂類巖板試件進行雙軸壓縮試驗，分析了不同裂隙傾角和不同巖橋角度對巖體破壞模式的影響[15]。試驗結(jié)果表明：雙軸壓縮下雙裂隙巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)S 型，裂紋歷經(jīng)壓密階段、彈性變形階段、裂紋的萌生和擴展(或試件局部變形)及應(yīng)變軟化階段。當裂隙傾角相同，隨著巖橋角度的增大，巖橋區(qū)域的貫通模式將由剪切裂紋貫通模式向翼形裂紋及剪切裂紋的復合貫通模式過渡，然后再向翼形裂紋貫通模式逐漸轉(zhuǎn)化。Chang 等對單一填充裂紋巖石試樣采用壓縮試驗與數(shù)值模擬研究填料對裂縫形態(tài)、荷載-位移響應(yīng)和試件強度的影響[16]。結(jié)果表明：控制裂紋存在臨界填充強度，且影響著裂紋的形態(tài)與擴展路徑，當填充強度低于臨界值，填充裂紋對裂紋形態(tài)及擴展路徑影響較小，反之，影響較大。

單軸壓縮實驗還是雙軸壓縮實驗在模擬真實巖體所處賦存環(huán)境上均有一定出入，但仍然可以反映出裂隙巖體在受壓作用下，反映出的力學機理。在模擬真實巖體環(huán)境方面，三軸壓縮實驗更能真實再現(xiàn)地應(yīng)力作用下的裂巖特性，因此，采用該方法開展力學特性研究也逐漸成為常態(tài)。Huang 等通過室內(nèi)常規(guī)三軸壓縮試驗，解釋了不同圍壓對預制雙裂隙擴展貫通機理的影響[17]。Li 等以石膏作為模擬材料，對預制圓形隧洞進行真三軸壓縮實驗，分析其脆性圍巖破壞機理[18]。朱珍德等對新型巖石材料三維裂紋擴展貫通機理進行常規(guī)三軸壓縮實驗，詳細分析了不同巖橋傾角、裂隙間距、裂隙數(shù)量對抗壓強度的影響[19]。試驗結(jié)果表明：不同巖橋傾角和裂隙間距下，張拉翼裂紋、反翼裂紋、花瓣裂紋呈現(xiàn)出不同的貫通模式。黃彥華等通過預制不平行雙裂隙開展不同圍壓下常規(guī)三軸壓縮試驗[20]。試驗結(jié)果顯示：圍壓相等，裂隙巖樣的三軸壓縮強度較完整巖樣大幅度減小，隨著裂隙傾角的增大，減小幅度也逐漸變緩，此時裂隙巖樣的壓縮強度呈現(xiàn)增大趨勢。裂隙傾角一樣時，圍壓大小與完整及裂隙巖樣的三軸壓縮強度呈正相關(guān)，這表明裂隙巖樣強度與裂隙傾角的大小密切相關(guān)（見圖1）。

1.2 數(shù)值模擬裂隙巖體損傷機制研究

基于斷裂力學與損傷力學的基本原理，采用等效連續(xù)介質(zhì)力學（巖體代表性體積單元REV）與離散介質(zhì)力學的方法，通過數(shù)值模擬軟件，對裂隙巖體各種不同條件（不同的巖橋傾角、裂隙間距、裂隙長度、裂隙數(shù)目、裂隙傾角與裂隙貫通度）下巖石材料的應(yīng)力、變形和破裂演化過程進行仿真，揭示裂隙巖體力學行為的損傷機制。采用先進的數(shù)值模擬手段既可以滿足計算精度的要求又可以減輕室內(nèi)力學實驗工作量。Li等針對深部巖體采用離散元法（DEM）模擬了預裂隙巖體卸荷過程，同時采用PFC 顆粒流軟件研究了卸荷速率和裂紋傾角對預缺陷巖體卸荷強度和開裂性能的影響[21]。結(jié)果表明：不同卸載周期的預缺陷試件的整體開裂范圍分布基本相同，而不同裂紋傾角的預缺陷試件的整體開裂分布存在明顯差異。孟凡非等借助于PFC3D顆粒離散元軟件，建立考慮復雜應(yīng)力作用的薄基巖模型，分析了原生裂隙長度、覆巖壓力和水沙兩相作用對裂隙在薄基巖平面橫向發(fā)育規(guī)律的影響[22]。研究發(fā)現(xiàn)，擴展裂隙發(fā)育形態(tài)與薄基巖受到覆巖壓力大小和原生裂隙長度有關(guān)。隨著數(shù)值模擬方法研究裂隙巖體損傷機制的逐漸深入，不少學者將其應(yīng)用于帶有裂隙巖體的巖質(zhì)邊坡中。胡訓健等采用顆粒流軟件PFC2D研究了在地震作用下不同巖橋長度及節(jié)理間距下節(jié)理巖質(zhì)邊坡的破壞模式、損傷演化規(guī)律及不同巖橋段應(yīng)力演化特征[23]。趙海軍等基于離散元方法，考慮裂隙產(chǎn)狀、模型加載及裂隙分布，建立一套裂隙力學計算模型，分析了不同模型裂隙擴展演化規(guī)律對巖體破壞路徑及強度的影響[24]。周子涵等建立斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡尖點突變理論模型，研究不同節(jié)理長度、摩擦角、黏聚力、巖石摩擦角、巖石黏聚力等因素對邊坡穩(wěn)定的影響，推導出邊坡臨界失穩(wěn)高度，并采用FLAC3D軟件探討不同節(jié)理連通率、 節(jié)理傾角巖質(zhì)邊坡的破壞形態(tài)，評判尖點突變理論模型的適用性[25]。

1.3 大型物理模型實驗

對含有大尺寸（工程尺寸）節(jié)理裂隙的巖體，基于等效連續(xù)介質(zhì)力學與損傷力學原理，通過大型室內(nèi)地質(zhì)力學模型試驗，在工程尺度上探求裂隙巖體變形破裂的損傷力學機制及強度特性?？刂屏严稁r體變形、破裂損傷等力學特性的主要影響因素是巖體的結(jié)構(gòu)特征，但由于巖石具有尺寸效應(yīng)，通過室內(nèi)小尺寸巖石實驗并不能真實反映大型巖體的結(jié)構(gòu)特征。大型地質(zhì)力學模型實驗考慮了大型巖體結(jié)構(gòu)特征及賦存環(huán)境，相比較現(xiàn)場原位實驗，具有工程量小，投入資金少等優(yōu)勢，但在研究裂隙巖體強度、變形、破壞損傷力學機制方面較少，主要集中于煤炭深部開采。王德超等以趙樓煤礦深井為工程對象，采用大型地質(zhì)力學模型試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)分析了不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果顯示，3～8 m 時煤柱寬度圍巖應(yīng)力呈三角分布，8 m 礦柱時呈梯形分布，煤柱寬度越大，最大豎向應(yīng)力也相應(yīng)增大[26]。張緒濤等以淮南礦區(qū)丁集煤礦的深部巷道為工程背景，利用相似材料模型和高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，首次開展含有軟弱夾層的層狀節(jié)理巖體真三維地質(zhì)力學模型試驗[27]。也有學者通過現(xiàn)場原位試驗與數(shù)值模擬的結(jié)合，對超千米深井采動應(yīng)力場進行研究。張建國、郭依寶等以平煤十二礦工作面為實驗基地，采用原位監(jiān)測及三維數(shù)值模擬探討了深部煤巖采動應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律[28-29]。

2 存在的問題及解決辦法

通過總結(jié)國內(nèi)外學者對裂隙巖體破裂演化機理取得的成果可以看出，前人依據(jù)試樣工程尺寸研究了裂隙幾何分布（裂隙數(shù)量、傾角、巖橋傾角）及不同實驗手段下裂隙巖體破裂演化機制，但實驗對象多以淺部裂隙巖體或巖樣為對象。隨著礦山開采日益向深部挖掘，深部巖體所賦予的獨有特征，使得裂隙巖體的開采更加復雜，因此，筆者認為以下幾點值得專業(yè)學者重視：

1）受現(xiàn)場實際條件限制，目前實驗室取樣多是由材料相似配比獲得。已有研究表明，室內(nèi)力學模型試樣與真實巖樣，在變形特征、強度、破壞模式上均有一定程度差異，因此，采用真實裂隙巖樣研究破壞機理的報道幾乎未見過。

2） 現(xiàn)有裂隙巖體的研究多是單純地考慮不同幾何裂隙分布相互作用力下的破裂機理，忽略了實際工程中外在的附加影響因素，如降雨、地震、凍融、開挖擾動等，即單點因素研究多，耦合研究少。

3） 通過總結(jié)不同工程尺寸層理裂隙巖體實驗方法，筆者得出將數(shù)值模擬手段應(yīng)用于巖體力學領(lǐng)域所面臨的難點在于如何準確地選定巖體物理力學參數(shù)，而力學參數(shù)的選取與巖體所處的原位環(huán)境存在相關(guān)性。裂隙巖體進入破壞模式后，其破裂演化機理將發(fā)生轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)數(shù)值模擬破壞準則并不能精確解釋破壞后力學行為，亟需建立與實際環(huán)境相適合的本構(gòu)關(guān)系、破壞準則。

4）隨著淺部資源的枯竭，深部開采已是趨勢。然而深部裂隙巖體的破壞機理與淺部巖體存在明顯的區(qū)別，如：在深部環(huán)境下硬巖會產(chǎn)生時間效應(yīng)，表現(xiàn)為流變和蠕變效應(yīng)，而這與一般礦山開采理論是相悖的[30-34]；且不同開采深度所表現(xiàn)出巖石破壞機理存在顯著差異[35]，即淺部巖體主要表現(xiàn)為動態(tài)破壞形態(tài)，具有脆性力學響應(yīng)，深部巖體則為準靜態(tài)破壞，呈現(xiàn)出脆-延轉(zhuǎn)化特征。因此，對裂隙巖體破壞機理的研究，要“由淺入深”探索出不同深度環(huán)境下裂隙巖體演化新理論。

3 結(jié) 論

深部裂隙巖體破裂演化機理研究尚處于初步研究階段，通過對裂隙巖體破裂演化機理進行全面概述，指出當前研究裂隙巖體破壞力學機理中所存在的問題，并得出以下結(jié)論：

1） 室內(nèi)力學實驗取樣上應(yīng)盡量選取真實裂隙巖體；數(shù)值模擬試驗應(yīng)建立與實際環(huán)境相適合的本構(gòu)關(guān)系、破壞準則。

2） 密切結(jié)合巖體所處原位環(huán)境及實際工程，研究實驗模型新材料，新技術(shù)及加載方式，發(fā)揮地質(zhì)模型在研究深部工程上的優(yōu)勢，開展深部裂隙巖體破裂失穩(wěn)研究。

3） 裂隙巖體工程的失穩(wěn)破壞多與內(nèi)部節(jié)理、裂隙的擴展和貫通及賦存環(huán)境有關(guān)，并不是單一因素作用的結(jié)果，重點開展裂隙巖體多相、多場耦合作用下變形、破壞轉(zhuǎn)化機理，揭示裂隙巖體原位環(huán)境下耦合破裂機制。