水力耦合作用下裂隙巖體破裂擴(kuò)展及聲發(fā)射能量損傷規(guī)律

陳云娟，高濤，高成路，尹延春，李艷龍

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266590；3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061)

隨著我國(guó)交通和地下工程建設(shè)快速發(fā)展，工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性不斷加大。天然巖體中裂隙是地下水的儲(chǔ)存和流動(dòng)空間，水的存在會(huì)大幅降低巖體強(qiáng)度和承載能力，受到自身重力和水的削弱影響，裂隙巖體極易失穩(wěn)引發(fā)安全隱患[1-2]。當(dāng)裂隙處于不同位置時(shí)，巖石的破壞模式和影響范圍有較大差異，因此，考慮巖體裂隙不同位置的分布，分析水力耦合條件下裂隙巖體的破裂過(guò)程具有重大工程意義。

在水力耦合作用下，巖體的裂隙開裂、擴(kuò)展和貫穿規(guī)律更加復(fù)雜[3]。TAVALLALI等[4]從微觀角度分析了水力耦合條件下層狀砂巖的破裂情況，建立5種視覺(jué)上相似砂巖體，以巴西劈裂試驗(yàn)的破裂情況為基礎(chǔ)，研究尺度參數(shù)差異性對(duì)樣品宏觀破壞的影響。CHITRALA等[5]對(duì)水力耦合條件下砂巖試樣進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，證明了巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)為非連續(xù)性存在現(xiàn)象。陳子全等[6]開展了不同圍壓下砂巖的水力耦合試驗(yàn)，利用聲發(fā)射和三維空間定位技術(shù)系統(tǒng)地分析巖石破壞中聲發(fā)射規(guī)律，得到了三維狀態(tài)下巖石內(nèi)部裂紋的演化過(guò)程。連志龍等[7-8]基于ABAQUS有限元軟件編寫用戶子程序接口，建立流固耦合數(shù)值計(jì)算模型，考慮巖石力學(xué)參數(shù)、水壓力、地應(yīng)力和邊界條件等多種綜合工況因素，研究了水壓力作用下裂紋擴(kuò)展機(jī)制。李剛等[9]應(yīng)用FLAC3D有限差分計(jì)算程序，對(duì)半圓拱形巷道進(jìn)行數(shù)值建模，分析了孔隙水壓力作用對(duì)深部軟巖巷道應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響，認(rèn)為孔隙水壓力形成的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)演化特征具有同步性。

巖體裂隙擴(kuò)展貫通是影響其穩(wěn)定性的重要因素，裂隙擴(kuò)展實(shí)質(zhì)上是能量釋放的過(guò)程[10-15]。宋璐璐等[16]進(jìn)行單軸力學(xué)加載試驗(yàn)，并應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)巖石破裂過(guò)程，利用MATLAB 繪制聲發(fā)射擬合曲線，得到了聲發(fā)射時(shí)間-能量參數(shù)，提出了應(yīng)用能量損傷判定指標(biāo)KSN預(yù)測(cè)巖石的破壞情況。范濛等[17]對(duì)天然頁(yè)巖展開真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，提取了聲發(fā)射事件數(shù)目和能量，發(fā)現(xiàn)水力裂隙擴(kuò)展中聲發(fā)射信號(hào)與能量損傷預(yù)測(cè)具有一致性。劉剛等[18]以黃砂巖的單軸、三軸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析不同條件下巖石損傷破壞過(guò)程中的力學(xué)行為和能量演化規(guī)律。相對(duì)試驗(yàn)而言，數(shù)值模擬可以更好地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能量[19-20]。SHIMIZU 等[21]利用流動(dòng)耦合技術(shù)模擬裂隙巖體水壓致裂過(guò)程，提出了一種基于流體滲透率的DEM算法程序，認(rèn)為受水壓力影響，部分聲發(fā)射信號(hào)缺失，室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的聲發(fā)射能量比數(shù)值模擬結(jié)果小。穆康等[22-23]建立了離散元顆粒流(PFC)能量追蹤體系，研究裂隙砂巖在三軸壓縮情況下裂紋擴(kuò)展變化，得到巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞和能量耗散規(guī)律。楊韜等[24]基于RFPA 建立離散裂隙網(wǎng)格模型，分析了巖體損傷-滲流-能量耗散的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)裂隙巖體在峰后階段仍有大量的新生裂隙，同時(shí)伴隨著能量的不斷耗散。

鑒于此，本文基于RFPA-Flow 數(shù)值分析工具建立水力耦合試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)研究水力耦合條件下裂隙巖體的破裂過(guò)程，分析過(guò)程中聲發(fā)射特征、能量耗散和水壓特性等規(guī)律，并研究不同裂隙位置對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模型

1.1 類巖石室內(nèi)試驗(yàn)與裂隙擴(kuò)展分析

本試驗(yàn)以砂巖為研究原型，采用水泥砂漿等材料配制類巖石試件[25]，選取砂子、硅酸鹽水泥、減水劑和水(質(zhì)量配比為0.97∶1.00∶0.03∶0.30)作為類巖石材料，對(duì)類巖石試件進(jìn)行綜合測(cè)試。巖石試件物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示，其壓拉比即抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比近似為10∶1，符合高脆性材料，因此，可使用類巖石試件分析水力耦合條件下的巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律。

表1 類巖石試件與砂巖物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比Table 1 Comparison of physical and mechanical properties of rock-like specimens and sandstone

為研究裂隙位置對(duì)巖體破裂規(guī)律的影響，固定裂隙傾角α均為30°，試件長(zhǎng)×寬×高為70 mm×45 mm×140 mm，裂隙位置自試件上部到下部分為5種工況：每條裂隙間距為20 mm，邊緣處裂隙位置距試件端部30 mm，如圖1所示。采用GAW-2000 電液伺服巖石剛性壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能，5種工況下巖體的破裂形態(tài)如圖2所示。

由圖2可知：當(dāng)裂隙處于上部和下部位置時(shí)，類巖石試件會(huì)沿預(yù)制裂隙的尖端開始開裂，并迅速擴(kuò)展產(chǎn)生翼裂紋，翼裂紋方向平行于最大主應(yīng)力方向，而試件會(huì)產(chǎn)生明顯的張拉裂紋，方向也近似平行于最大主應(yīng)力方向。當(dāng)裂隙處于中上部和中下部時(shí)，預(yù)制裂隙處產(chǎn)生的翼裂紋擴(kuò)展仍比較顯著，同時(shí)有次生裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展貫通，該工況下裂紋主要以張拉裂紋為主。當(dāng)裂隙處于試件中部時(shí)，裂隙巖體基本未產(chǎn)生次生裂紋，最終試件以翼裂紋擴(kuò)展貫通為主，發(fā)生剪切破壞。

1.2 數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

采用RFPA應(yīng)力-滲流耦合模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，具體方法為：建立長(zhǎng)×高為70 mm×140 mm 的平面應(yīng)變模型，以庫(kù)侖-摩爾模型為破壞準(zhǔn)則判據(jù)，劃分單元網(wǎng)格尺寸為1 mm，裂隙水壓力采用空洞滲流加載方式，設(shè)置100 m 水頭(1 MPa)為初始水壓力，單步增量為2 m水頭，對(duì)5種裂隙位置試件進(jìn)行水力耦合計(jì)算模擬，模型的力學(xué)參數(shù)如表2所示。分析水力耦合條件下巖體的破裂規(guī)律前，首先驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，將通過(guò)該方法建立的中部裂隙試件的破裂形態(tài)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2種方法的裂隙擴(kuò)展形態(tài)和規(guī)模均一致，裂隙受控于翼裂紋擴(kuò)展引起的剪切破壞，如圖3所示。圖3所示結(jié)果說(shuō)明利用RFPA 模擬巖體裂隙擴(kuò)展過(guò)程具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，因此，下面的模擬分析將基于該方法進(jìn)行。

表2 模型力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameter of numerical model

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 水力耦合作用下裂隙巖體破裂形態(tài)

在RFPA2D-Flow 滲流版塊數(shù)值模擬中，通過(guò)監(jiān)測(cè)破裂過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)和聲發(fā)射信號(hào)來(lái)分析巖體的破裂規(guī)律。試件在軸向壓力和初始100 m水頭(水壓力為1 MPa)共同作用下，裂隙擴(kuò)展過(guò)程和應(yīng)力演化特征如圖4和圖5所示。

根據(jù)水力耦合條件下巖體裂隙擴(kuò)展的應(yīng)力變化和聲發(fā)射信號(hào)特征，將裂紋擴(kuò)展過(guò)程劃分為4個(gè)階段：壓密階段、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋快速增長(zhǎng)階段和破壞階段。每個(gè)階段巖體的破裂規(guī)律均可以從裂紋擴(kuò)展形態(tài)、應(yīng)力場(chǎng)特征和破裂機(jī)理3個(gè)方面進(jìn)行研究，特征如表3所示。

表3 裂紋擴(kuò)展規(guī)律及應(yīng)力演化特征Table 3 Crack propagation and stress evolution characteristics

2.2 水力耦合作用下孔隙水壓力特征

2.2.1 相同初始孔隙水壓力

對(duì)各工況裂隙施加相同的初始孔隙水壓力(100 m 水頭)，巖體內(nèi)部達(dá)到最大孔隙水壓力的云圖如圖6所示，不同裂隙位置巖體最大孔隙水壓力pw如圖7所示。

由圖6可知：當(dāng)裂隙位于試件中部時(shí)，紅色區(qū)域水壓力(即較大水壓力)擴(kuò)散范圍較小，水壓力自預(yù)制裂隙和翼裂紋向四周均勻擴(kuò)散且逐單元遞減。應(yīng)力場(chǎng)(圖5)中拉應(yīng)力沿孔隙水壓力路徑水平擴(kuò)散分布，說(shuō)明孔隙水壓力對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有較大促進(jìn)作用，試件內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力與孔隙水壓力有直接關(guān)系，且水壓力梯度遞減方向與拉應(yīng)力方向一致。

由圖7可知：當(dāng)裂隙位于試件中部時(shí)，最大孔隙水壓力最低，當(dāng)裂隙位于試件端部時(shí)，內(nèi)部最大孔隙水壓力最大。試件內(nèi)部最大孔隙水壓力隨裂隙位置呈現(xiàn)“U”形分布，由此說(shuō)明，當(dāng)裂隙位于試件中部時(shí)，孔隙水壓力對(duì)裂紋擴(kuò)展僅具有一定的輔助作用，而當(dāng)裂隙遠(yuǎn)離試件中部時(shí)，巖體裂隙內(nèi)承受的最大孔隙水壓力升高，導(dǎo)致對(duì)局部裂紋破壞起主導(dǎo)作用。

2.2.2 不同初始孔隙水壓力

為了研究不同初始孔隙水壓力對(duì)巖體破裂規(guī)律影響，特設(shè)置7種初始加載水壓力，以初始水壓力為橫坐標(biāo)，提取試件的峰值應(yīng)力和最大水壓力為縱坐標(biāo)，結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知：裂隙位于試件不同位置時(shí)，試件峰值應(yīng)力均與初始孔隙水壓力呈反比關(guān)系；當(dāng)初始孔隙水壓力為低水壓范圍(0～1.5 MPa)時(shí)，工況1 和工況5(即裂隙位于試件端部)試件的峰值應(yīng)力比其他工況的峰值壓力大，工況2和工況4(即裂隙位于試件中上部或中下部對(duì)稱位置時(shí))的峰值應(yīng)力隨初始水壓的演化規(guī)律具有高度重合性；當(dāng)初始水壓力超過(guò)1.5 MPa 時(shí)，工況1 的峰值應(yīng)力下降幅度較大，工況2和工況4的峰值應(yīng)力一直處于相對(duì)較低狀態(tài)，二者隨初始孔隙水壓力的變化較類似，而工況3(即裂隙位于試件中部)的峰值應(yīng)力降幅減小，表明在相對(duì)較高的初始水壓情況下，裂隙越靠近試件中部，孔隙水壓力對(duì)試件產(chǎn)生的破壞效應(yīng)反而越小。

由圖8(b)可知：當(dāng)裂隙位于試件不同位置時(shí)，試件最大孔隙水壓力與初始水壓力呈正相關(guān)，工況1和工況5的試件裂隙內(nèi)最大水壓力較大，且二者隨初始水壓演化規(guī)律近似度較高；當(dāng)初始孔隙水壓力達(dá)到2.0 MPa 時(shí)，工況2 和工況3 的試件最大孔隙水壓力并未超過(guò)初始孔隙水壓力，主要原因?yàn)橐砹鸭y周圍產(chǎn)生了較多的新生微裂隙，促進(jìn)水壓力擴(kuò)散遞減，導(dǎo)致在較高的初始孔隙水壓下，裂紋擴(kuò)展以軸向壓力為主導(dǎo)作用，裂隙內(nèi)水壓力對(duì)破壞是非主要因素。

2.3 水力耦合作用下聲發(fā)射能量損傷演化

2.3.1 聲發(fā)射能量演化

基于裂隙位置的對(duì)稱性及破壞規(guī)律的相似性，選取工況1、工況2 和工況3 的裂隙試件為例，模擬監(jiān)測(cè)裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、聲發(fā)射數(shù)目和聲發(fā)射累積能量變化規(guī)律，如圖9所示。由圖9可知：

1)在壓密階段(OA段)，各工況試件未產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，其原因主要是裂隙尖端產(chǎn)生較小的翼裂紋且水壓力也會(huì)削弱聲發(fā)射現(xiàn)象，因而聲發(fā)射數(shù)目十分少，能量累積幾乎為零。

2)在微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(AB段)的開始和結(jié)束區(qū)域，產(chǎn)生了相對(duì)較小的局部峰值聲發(fā)射數(shù)目，且裂隙越靠近試件中部時(shí)聲發(fā)射數(shù)目越多，其原因主要是裂隙受應(yīng)力累積和水壓力橫向促進(jìn)作用，導(dǎo)致該階段聲發(fā)射能量累積出現(xiàn)顯著提升。

3)在裂紋快速增長(zhǎng)階段(BC段)，孔隙水壓力進(jìn)一步擴(kuò)散至裂紋內(nèi)部，致使聲發(fā)射信號(hào)部分缺失，從3類工況聲發(fā)射數(shù)目來(lái)看，上部和中上部裂隙試件聲發(fā)射幾乎處于平靜期，而中部裂隙試件聲發(fā)射相對(duì)活躍，該現(xiàn)象主要是次生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展的結(jié)果。

4)在破壞階段(CD段)，聲發(fā)射數(shù)目呈非線性急劇增長(zhǎng)，試件內(nèi)部的裂紋數(shù)目亦呈非穩(wěn)定快速增長(zhǎng)，出現(xiàn)了宏觀主破裂面，巖體瞬間破壞且峰后殘余強(qiáng)度較小。

綜上所述，聲發(fā)射能量累積具有明顯的階段性，能量增長(zhǎng)往往發(fā)生在聲發(fā)射數(shù)目急劇增長(zhǎng)之前，而裂隙位置越接近試件中部，試件破裂路徑越長(zhǎng)，產(chǎn)生的聲發(fā)射累積能量也越大，表明主破裂路徑長(zhǎng)度與能量累積呈正比關(guān)系。

2.3.2 損傷演化

巖體變形破壞的實(shí)質(zhì)是內(nèi)部能量的耗散與釋放，在不同的應(yīng)力變形階段，巖石的能量釋放具有不同特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)巖體破裂過(guò)程的聲發(fā)射情況，分析得到砂巖損傷過(guò)程中的聲發(fā)射能量釋放特征。以加載過(guò)程中的聲發(fā)射能量釋放為依據(jù)，分析裂隙巖體水力耦合作用下的損傷演化規(guī)律，定義巖體的損傷變量D為

式中：Ad為巖體在單軸受壓過(guò)程中損傷面積；A為巖體無(wú)損傷時(shí)的面積。

假設(shè)巖體發(fā)生完全破壞時(shí)聲發(fā)射數(shù)目為W0，則巖體單位面積微元體破壞的聲發(fā)射數(shù)目Wt為

當(dāng)巖體損傷面積達(dá)到Ad時(shí)，結(jié)合(1)和(2)兩式，可得該時(shí)刻聲發(fā)射數(shù)目Wd為

故損傷變量D可表示為

根據(jù)數(shù)值模擬過(guò)程中聲發(fā)射數(shù)目，得到水力耦合條件下裂隙巖體破裂過(guò)程中損傷變量D的分布曲線，如圖10所示。

由圖10可知：在巖體破裂過(guò)程中，損傷特性具有明顯的階段性，依然可以分為4 個(gè)階段進(jìn)行分析。

1)初始損傷階段。損傷變量基本從零向微小數(shù)值增加，該階段巖體表現(xiàn)為裂隙的壓密閉合，處于能量積累儲(chǔ)存期。

2)損傷穩(wěn)定發(fā)展階段。該階段微裂紋萌生擴(kuò)展，并伴隨次生裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)致?lián)p傷變量D呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，損傷約占整體損傷的1/5左右。

3)損傷加速發(fā)展階段。該階段裂紋快速擴(kuò)展，各類工況的損傷變量呈直線增長(zhǎng)，且最大增長(zhǎng)幅值約占整體損傷的60%，表現(xiàn)出跳躍式的不穩(wěn)定增長(zhǎng)。

4)損傷破壞階段。隨著裂隙大范圍擴(kuò)展、貫通并釋放體系能量，損傷變量曲線表現(xiàn)出平緩增長(zhǎng)，但工況3試件產(chǎn)生二次跳躍式增長(zhǎng)最終趨于穩(wěn)定，說(shuō)明裂隙位置處于試件中部時(shí)破壞具有一定延緩性。

3 裂隙位置對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.1 隧道圍巖破壞特性

為研究水力耦合條件下裂隙的位置對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，特固定圍巖裂隙初始水壓為1.0 MPa，裂隙尺寸為8.0 m，隧道跨度為10 m，分別建立裂隙位于隧道右上側(cè)、右中側(cè)及右下側(cè)3類工況，研究隧道開挖后圍巖應(yīng)力演化規(guī)律和水壓力分布特征，結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖11可知：當(dāng)裂隙位于隧道右上側(cè)時(shí)，其對(duì)隧道圍巖破壞影響最大，整體破裂面貫穿至隧道，同時(shí)，隧道仰拱處也產(chǎn)生縱向剪切破壞，形成二次主破裂面，圍巖產(chǎn)生拉剪復(fù)合型破壞；當(dāng)裂隙位于隧道右中側(cè)時(shí)，破裂面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響最小，以裂隙為中心形成“Z”字形裂紋擴(kuò)展，主破裂面仍然為拉剪復(fù)合型破壞；當(dāng)裂隙位于隧道右下側(cè)時(shí)，形成的主破裂面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響不大，而當(dāng)隧道開挖后，圍巖拱頂產(chǎn)生較大范圍剪切裂紋，方向基本與主破裂面平行。

由圖12可知：當(dāng)裂隙位于隧道右上側(cè)時(shí)，裂隙水壓超過(guò)3.6 MPa，極有可能沿著破裂面涌入隧道，造成隧道突涌水災(zāi)害；當(dāng)裂隙位于隧道右中側(cè)和右下側(cè)時(shí)，高水壓范圍雖然較大，但有明顯的水壓擴(kuò)散效應(yīng)，更為關(guān)鍵的是沒(méi)有形成貫穿到隧道的破裂面，所以，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全基本沒(méi)有影響，但為確保隧道安全，可以采取適當(dāng)措施降壓疏水或者注漿改變涌水路徑。

3.2 隧道圍巖損傷特性

根據(jù)式(4)，得到隧道開挖圍巖的損傷變量演化規(guī)律，如圖13所示。由圖13可知：隧道開挖后，3 類工況的隧道圍巖損傷變量前期階段均較?。浑S著時(shí)間延長(zhǎng)，裂隙位于右中側(cè)和右下側(cè)的隧道圍巖先進(jìn)入損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，在該階段，損傷變量增幅較大；而當(dāng)裂隙位于右上側(cè)時(shí)，隧道圍巖損傷演化會(huì)有一定的滯后效應(yīng)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后進(jìn)入損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，同時(shí)，呈多階段跳躍式增長(zhǎng)，這與該工況下形成主破裂面、二次破裂面有關(guān)。

4 結(jié)論

1)在水力耦合作用下，微觀裂紋擴(kuò)展，在裂隙兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，受壓區(qū)分布于裂紋擴(kuò)展區(qū)域，各工況裂紋擴(kuò)展以張拉破壞為主；當(dāng)裂隙工況由中部向端部變化時(shí)，其破壞效應(yīng)角β逐漸增大。

2)孔隙水壓能夠促進(jìn)拉應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)端部裂隙工況破壞起主導(dǎo)作用，對(duì)中部裂隙工況破壞具有一定的輔助作用，裂隙內(nèi)最大孔隙水壓力隨裂隙位置呈“U”形演化特征。

3)巖體峰值強(qiáng)度和最大水壓力與初始孔隙水壓力呈反比，主破裂路徑長(zhǎng)度與聲發(fā)射數(shù)目和能量累積能力呈正比，巖體損傷變量呈“穩(wěn)增長(zhǎng)—?jiǎng)≡鲩L(zhǎng)—穩(wěn)增長(zhǎng)”演化規(guī)律。

4)隧道右上側(cè)裂隙對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響最大，裂隙擴(kuò)展至隧道形成多處破裂面，更易誘發(fā)突水災(zāi)害，圍巖損傷具有滯后性。