裂紋擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式變化的影響分析

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

危巖是交通工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有發(fā)育期長(zhǎng)、突發(fā)性強(qiáng)、危害性大的特點(diǎn)。交通沿線危巖崩塌常常會(huì)危及行人、過(guò)往車輛等安全，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失。危巖失穩(wěn)模式主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的影響，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育本質(zhì)是裂紋的擴(kuò)展，本文從裂紋擴(kuò)展角度探究了危巖失穩(wěn)發(fā)展模式。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院袁小平等在Drucker-Prager準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，針對(duì)存在節(jié)理的巖石中小范圍屈服翼裂紋尖端塑性區(qū)，推導(dǎo)出基于該準(zhǔn)則下的純Ⅰ、純Ⅱ及Ⅰ、Ⅱ復(fù)合型3種翼裂紋無(wú)量綱塑性區(qū)徑長(zhǎng)函數(shù)；贛州有色冶金研究所謝世勇等對(duì)動(dòng)靜組合荷載下的巖石破碎過(guò)程進(jìn)行分析得出，一定范圍內(nèi)改變靜壓力和沖擊力可以提高巖石的破碎效率；青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院王國(guó)艷等采用巖石破裂過(guò)程的RFPT數(shù)值分析系統(tǒng)，模擬了單軸壓縮作用下不同裂隙傾角的單裂隙試件破壞過(guò)程；中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院劉濤影等探討了高滲透作用下壓剪巖石的起裂規(guī)律和分支裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的演變規(guī)律，推導(dǎo)出高滲透壓下巖體在發(fā)生拉剪破壞時(shí)的臨界水壓力數(shù)值，以及初起裂強(qiáng)度的判據(jù)；東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院丁梧秀等用不同化學(xué)溶液對(duì)巖石事件進(jìn)行浸泡溶蝕，得出在溶液的侵蝕作用下，巖石強(qiáng)度顯著下降，巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。在前人的努力下，斷裂損傷力學(xué)已運(yùn)用到巖石的各個(gè)方面。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)巖石力學(xué)與分形研究所謝和平總結(jié)了巖石強(qiáng)度理論研究中斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)的運(yùn)用進(jìn)展。

本文在斷裂損傷力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從裂紋發(fā)展的角度揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖兩類危巖形成的機(jī)制，討論了危巖后緣張拉裂隙擴(kuò)展及軟弱基座中裂紋的擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式的影響，并給出了工程治理措施。

二、巖體中的裂紋

過(guò)去對(duì)巖體強(qiáng)度的研究，假定巖體材料是連續(xù)的，不存在任何的缺陷或者裂紋，這種假設(shè)下，用現(xiàn)有的應(yīng)力強(qiáng)度理論和破壞準(zhǔn)則很難對(duì)巖體復(fù)雜的強(qiáng)度變化和整體破壞現(xiàn)象作出解釋。

隨著斷裂與損傷力學(xué)等一系列學(xué)科的興起，眾多學(xué)者將這些新興學(xué)科應(yīng)用到巖體中，巖體的強(qiáng)度理論由過(guò)去的經(jīng)典強(qiáng)度理論發(fā)展到將斷裂學(xué)、損傷學(xué)應(yīng)用于其中的理論，并不斷完善。巖石同大多數(shù)材料一樣，存在三種裂紋：Ⅰ型裂紋（拉張）、Ⅱ型裂紋（錯(cuò)動(dòng)剪切）、Ⅲ型裂紋（垂直應(yīng)力面撕裂型）。其中，Ⅰ型裂紋的裂紋面垂直于所受力的方向，Ⅱ型裂紋為剪應(yīng)力作用下滑移形成的裂紋，Ⅲ型裂紋是在拉應(yīng)力作用下向內(nèi)外方向撕裂的裂紋。

三種裂紋擴(kuò)展的判據(jù)分別為三種裂紋的強(qiáng)度因子與巖石的斷裂韌度相等，即

式中：i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，Ki為裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，Kic為巖石的斷裂韌度。

三、裂隙的擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式的影響

本文以三峽航道某危巖為例，分析了裂紋擴(kuò)展對(duì)同類型危巖失穩(wěn)模式變化的影響。

該危巖上部為堅(jiān)硬的泥質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)度高?；糠譃閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)度相對(duì)較低。基座位置的基巖在上部荷載、水與溫度等共同作用下出現(xiàn)了劈裂狀裂縫。裂縫加速了基巖的風(fēng)化速度，逐漸在軟弱基巖地方形成了巖腔。危巖后緣邊界由于拉應(yīng)力形成了拉張裂隙，巖石后部因發(fā)育多組裂縫且多組裂縫相互切割而獨(dú)立?；糠衷谌龒{庫(kù)區(qū)冬季蓄水時(shí)浸泡在水中，夏季水位下降時(shí)露出水面，處于干濕循環(huán)環(huán)境。

危巖后緣的裂隙擴(kuò)展的速度由巖石自重及裂隙水壓控制；下部基巖裂紋擴(kuò)展速度受上部巖石自重壓力和庫(kù)水反復(fù)浸泡作用的控制，下部基巖裂紋擴(kuò)展決定了巖腔的風(fēng)化速度。

對(duì)于后緣存在張拉裂隙、基座存在軟弱巖層的危巖來(lái)說(shuō)，后緣張拉裂隙與基座軟巖中裂隙的擴(kuò)展速度影響著危巖的失穩(wěn)模式。

圖1 ?危巖

圖2 ?滑塌式危巖

圖3 ?傾倒式危巖

當(dāng)后緣拉張裂隙裂紋擴(kuò)展速度大于基座軟巖中裂紋的擴(kuò)展時(shí)，后緣裂紋先于基座裂紋貫通，危巖后緣形成貫通的裂隙面時(shí)，危巖沿裂隙面滑動(dòng)失穩(wěn)破壞，便形成滑塌式危巖，如圖2所示，裂隙擴(kuò)展。這時(shí)，后緣裂隙成為危巖失穩(wěn)的主控結(jié)構(gòu)面。

反之，危巖基座軟巖裂紋擴(kuò)展速度先于后緣裂紋擴(kuò)展時(shí)，基座軟巖逐漸被侵蝕，巖腔逐漸擴(kuò)大后移，直至危巖重心接近臨空或臨空后，危巖自重加速后緣裂隙發(fā)展，最終危巖發(fā)生傾倒破壞，形成傾倒式危巖，如圖3所示，巖腔后退。這時(shí)，基座軟巖成為控制危巖失穩(wěn)的關(guān)鍵。

對(duì)于類似危巖類型，可采取“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的方法治理。

1.錨桿固定：在危巖上施工錨桿，錨桿穿過(guò)危巖后緣裂隙面，固定在后緣穩(wěn)定基巖上。

2.封閉巖腔：巖腔擴(kuò)展較小時(shí)，采用混凝土填滿巖腔進(jìn)行封閉，一方面防止巖腔進(jìn)一步風(fēng)化，另一方面為危巖提供支撐力。巖腔擴(kuò)展較大時(shí)，在巖腔中按規(guī)范計(jì)算設(shè)計(jì)混凝土柱，支撐危巖，可采用膨脹混凝土。

3.封閉后緣張拉裂隙：采用混凝土灌填封閉危巖后緣張拉裂縫，防止雨水滲入，引起裂隙水壓，降低危巖的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)后緣存在裂隙面、基座存在軟弱巖層類型的危巖分析，基于其裂縫及裂紋擴(kuò)展速度的差異，揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖產(chǎn)生的機(jī)制，得出滑塌式危巖中后緣裂隙為危巖失穩(wěn)的主控結(jié)構(gòu)面；傾倒式危巖中基座軟巖為控制危巖失穩(wěn)關(guān)鍵的結(jié)論。對(duì)于類似的危巖，本文提出可以采用“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的措施治理。