趙怡晴,劉佳偉,金愛兵,孫浩,王本鑫,魏余棟,3
(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京100083;2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083;3.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京100011)
加卸荷是巖體工程中常見的力學行為,如在露天邊坡開挖中主要表現(xiàn)為橫向卸荷,加固又表現(xiàn)為橫向加載;地下硐室的掘進會發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為在某一方向卸載,在另一方向加載,即“加軸壓卸圍壓”[1]。在加軸壓卸圍壓條件下,巖體力學性質(zhì)一般與常規(guī)單軸或三軸壓縮條件下的力學性質(zhì)不同,在深部開挖卸荷過程中,圍巖切向應(yīng)力增加,徑向應(yīng)力降低,力學平衡受到影響甚至遭到破壞[2]。此外,巖體中不可避免地存在各種結(jié)構(gòu)面,從而改變了巖體的受力特征和破壞模式,導致巖體強度大幅降低。節(jié)理分為貫通和非貫通,其中,非貫通節(jié)理之間的巖體稱為巖橋,針對加軸壓卸圍壓條件下節(jié)理的破壞、翼裂紋的擴展、巖橋的貫通規(guī)律及節(jié)理巖體破壞特性進行研究,對于節(jié)理巖體工程具有重要的理論與實踐意義。一些學者采用室內(nèi)試驗來研究節(jié)理巖體裂紋擴展規(guī)律,如:BOBET 等[3]對預(yù)制節(jié)理巖體進行單軸壓縮試驗,研究了其節(jié)理擴展、貫通機理;李建林等[4]結(jié)合三峽工程高邊坡巖體自制不同幾何尺寸及含不同方向結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體進行卸荷試驗,得出巖體的卸荷與結(jié)構(gòu)面的角度有很大的關(guān)系,尺寸的增大降低了巖體的強度等力學參數(shù);黃達等[5]根據(jù)相似比配備裂隙巖體,進行加軸壓卸圍壓與恒軸壓卸圍壓試驗,結(jié)果表明裂紋的擴展具有一定的突發(fā)性,不同傾角的裂紋擴展方式不同;柏俊磊[6]研究了加卸荷條件下非貫通節(jié)理巖體力學及其聲學特性,結(jié)果表明縱波波速的傳播速度隨著節(jié)理連通率的增加而減小,試樣在卸荷條件下表現(xiàn)為延性破壞;王瑞紅等[7-8]對含預(yù)制節(jié)理巖體進行二次加載試驗,結(jié)果表明變形模量與巖體所處圍壓關(guān)系不大,低圍壓條件下卸荷的影響更嚴重;王樂華等[9]設(shè)計不同角度下連通率分別為0.25,0.50 和0.75 的巖體試樣進行三軸加卸荷試驗,發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)理連通率的增加,非貫通節(jié)理巖體的各向異性及變形模量的降幅越明顯,且相比于加載試驗,卸荷對試樣的破壞更大。室內(nèi)試驗可以直觀地體現(xiàn)非貫通節(jié)理巖體的破壞,但該方法存在操作復雜、可重復性差、危險系數(shù)高且不能直觀地觀察裂紋擴展過程等缺陷。
目前,越來越多的學者采用數(shù)值模擬對節(jié)理巖體方向進行研究。KULATILAKE 等[10]通過室內(nèi)物理試驗和PFC3D 數(shù)值試驗,研究了節(jié)理塊體在單軸加載時的力學特性。LEE等[11]制備了含有單節(jié)理與雙節(jié)理的巖體試樣,研究了單軸壓縮條件下預(yù)制節(jié)理周圍裂紋的延伸與擴展問題,采用PFC進行數(shù)值模擬并與試驗進行對比,發(fā)現(xiàn)匹配結(jié)果良好,結(jié)果對分析巖石和巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大幫助。BAHAADDINI 等[12]運用PFC 研究了節(jié)理幾何參數(shù)對單軸抗壓強度、巖體破裂機制和變形模量的影響。李同錄等[13]利用Hook-Brown 準則與損傷力學知識,建立巖體力學特征與結(jié)構(gòu)面參數(shù)的關(guān)系,綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)面特征及巖體賦存條件,為數(shù)值模擬提供了節(jié)理力學參數(shù)的獲取方法。金愛兵等[14]利用PFC建立不同節(jié)理角度、節(jié)理長度、巖橋長度的巖體模型并進行雙軸試驗數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在加載過程中,模型經(jīng)歷了翼裂紋擴展、次生裂紋的延伸以及巖橋的貫通,在不同節(jié)理參數(shù)條件下,節(jié)理長度對巖樣力學特征的影響最大。王賀等[15]針對模擬中節(jié)理參數(shù)難確定問題,設(shè)計了結(jié)構(gòu)面直剪試驗,結(jié)合相關(guān)分析得到剛度參數(shù)表征公式并應(yīng)用于數(shù)值模擬計算,并將結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比,證明了其可行性。周喻[16]等建立了斷續(xù)節(jié)理巖體及邊坡PFC 模型,研究表明巖橋破壞模式可分為4類,滑坡的微破裂首先從邊坡底部斷續(xù)節(jié)理端部產(chǎn)生。
在加軸壓卸圍壓過程中,由于應(yīng)力調(diào)整,導致開挖過程中圍巖切向應(yīng)力增加與徑向應(yīng)力降低,從而引發(fā)巖體的破壞與失穩(wěn),且由于巖體中非貫通節(jié)理的存在,其破壞形式更為復雜。目前PFC模擬中所采用的卸荷主要通過徑向墻體移動來實現(xiàn),其卸荷速度是一定的,而在實際工程中,巖體的卸荷是非線性的,卸荷與時間并非呈線性關(guān)系,因此,模擬實際巖體工程開挖過程中的非線性加卸荷,研究非貫通節(jié)理巖體的力學及破壞特性非常必要。本文作者通過室內(nèi)試驗獲得所用砂巖的彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等,并采用顆粒流程序PFC2D 進行相關(guān)模擬,匹配所需試樣參數(shù)。利用DFN 設(shè)計非貫通節(jié)理砂巖模型,進行三軸壓縮及非線性加軸壓卸圍壓模擬,研究非貫通節(jié)理巖體裂紋擴展及破壞規(guī)律。
試驗材料為陜西漢中地區(qū)未風化中砂巖,主要礦物含長石、石英、云母等,平均密度為2.18 g/cm3,彈性模量約為18 GPa,泊松比約為0.25。為減小因樣品本身的差異而造成的離散性,采用超聲檢測分析儀測定波速,選取波速相近的試樣。室內(nèi)試驗設(shè)備為GAW-2000 微機控制電液伺服剛性壓力試驗機。在試驗過程中,采用精度高、誤差小的引伸計進行變形測量。將試樣固定后,以軸向速度0.01 mm/min進行加載,直至試樣破壞。
室內(nèi)單軸壓縮試驗為后續(xù)數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ),為細觀角度下分析非貫通節(jié)理巖體在加卸荷條件下的破壞特性提供條件。選取3組具有代表性的巖體試樣A1,A2和A3,其破壞形式如圖1所示。從圖1可見:破壞形式為標準的劈裂破壞。試驗測得所用砂巖平均單軸抗壓強度為50.34 MPa,試驗破壞后峰后強度并不明顯。
圖1 室內(nèi)單軸壓縮試驗破壞形式Fig.1 Destructive forms of indoor uniaxial compression test
目前,PFC在邊坡工程、采礦工程、隧道工程以及放礦力學等方面都有重要的應(yīng)用[17]。利用PFC可以清晰地呈現(xiàn)巖體在不同條件下的裂紋擴展情況,且不存在可重復性差、操作復雜等缺點[18]。
根據(jù)室內(nèi)單軸試驗獲取砂巖彈性模量、泊松比等宏觀參數(shù),利用PFC 程序進行參數(shù)匹配獲得與試驗材料特征相同的模型。在以往研究的基礎(chǔ)上,采用DFN創(chuàng)建非貫通節(jié)理,生成長為15 mm、巖橋長為10 mm、水平夾角為30°的非貫通節(jié)理模型,觀察三軸壓縮與非線性加軸壓卸圍壓條件下裂紋的發(fā)生與擴展行為,為實際工程的開挖提供幫助。
以室內(nèi)試驗結(jié)果為參考,利用離散元軟件PFC中平行黏結(jié)模型設(shè)計與巖體宏觀特征一致的數(shù)值模型,通過多次匹配,確定的最優(yōu)細觀力學參數(shù)組合如表1所示,應(yīng)力-應(yīng)變對比曲線如圖2所示。模型共含3 996個顆粒,最小顆粒半徑為0.45 mm,最大顆粒與最小顆粒的粒徑比為1.66。單軸壓縮模擬結(jié)果如圖3 所示,其中,紅色裂紋代表剪切裂紋,藍色裂紋代表拉伸裂紋,模擬顯示峰值強度為49.81 MPa,彈性模量和泊松比等與室內(nèi)試驗結(jié)果基本相同,因此,按照表2中細觀參數(shù)匹配的模型可以用來模擬真實砂巖試樣。
表1 計算模型細觀力學參數(shù)Table 1 Meso mechanical parameters of calculation model
圖2 單軸壓縮模擬曲線對比Fig.2 Comparison of uniaxial compression simulation curves
圖3 單軸壓縮模擬結(jié)果Fig.3 Uniaxial compression simulation res ults
根據(jù)文獻[19]中非貫通節(jié)理巖體等效強度等參數(shù),選取合適的節(jié)理參數(shù),如表2所示。
表2 節(jié)理細觀力學參數(shù)Table 2 Mesoscopic mechanical parameters of joint
所建立的試樣模型為非貫通雙節(jié)理模型,以節(jié)理長度為15 mm、巖橋長度為10 mm,節(jié)理傾角為30°為例,研究非貫通節(jié)理的破壞特性。對非貫通節(jié)理砂巖模型進行單軸壓縮模擬,結(jié)果如圖4所示,其中,黑色裂紋代表非貫通節(jié)理,棕色裂紋代表節(jié)理剪切裂紋,粉色裂紋代表節(jié)理拉伸裂紋,紅色裂紋代表剪切裂紋,藍色裂紋代表拉伸裂紋。應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。
圖4 非貫通雙節(jié)理巖體模型及單軸壓縮結(jié)果Fig.4 Intermittent double joint rock mass model and uniaxial compression result
圖5 非貫通節(jié)理巖體模型單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial compression stress-strain curve of intermittent double joint rock mass model
模擬非貫通節(jié)理巖體在單軸壓縮條件下的破壞特征,節(jié)理兩端主要為拉伸破壞,巖橋主要被剪切裂紋破壞且最終被貫通,節(jié)理被拉伸裂紋與剪切裂紋共同破壞。非貫通節(jié)理巖體單軸強度為20.47 MPa,與完整試樣相比,承載能力大幅度降低。由于節(jié)理的存在,在峰后高軸壓前提下,軸壓的快速下降導致徑向變形有一定回彈,破壞主要發(fā)生在節(jié)理周圍。
對非貫通節(jié)理巖體模型進行5,10 和15 MPa圍壓下的三軸壓縮模擬,結(jié)果見圖6。應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示,峰值強度分別為37.40,45.93 和48.10 MPa。
圖6 非貫通雙節(jié)理巖體模型三軸壓縮結(jié)果Fig.6 Triaxial compression result of intermittent double joint rock mass model
圖7 非貫通雙節(jié)理巖體模型三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Triaxial compression stress-strain curves of intermittent double joint rock mass model
當顆粒間黏結(jié)所受拉力或剪切力大于其法向或者切向黏結(jié)力時,黏結(jié)發(fā)生破壞,從而形成拉伸或剪切裂紋,光滑節(jié)理處破裂原因亦是如此。隨著圍壓的增加,峰值強度逐漸增大,由圖1可以看出:節(jié)理內(nèi)部出現(xiàn)大量剪切裂紋和少量拉伸裂紋,巖橋被剪切裂紋與拉伸裂紋貫通,節(jié)理周圍顆粒呈壓密狀態(tài);隨著圍壓和軸壓的增加,巖橋貫通更加嚴重,節(jié)理的破壞更明顯,巖體破壞程度更加劇烈。由于節(jié)理的存在,三軸壓縮峰后出現(xiàn)一定的波動。破裂帶沿節(jié)理走向,節(jié)理巖體的破壞過程實質(zhì)是結(jié)構(gòu)面的相互作用與擴展的過程,結(jié)構(gòu)面的存在對破壞類型、破壞形式、裂紋的延伸有著重要的影響。
圍壓10 MPa 下非貫通節(jié)理巖體三軸壓縮條件下的裂紋發(fā)生與擴展過程如圖8所示。
圖8 10 MPa圍壓下非貫通雙節(jié)理巖體三軸壓縮模擬過程Fig.8 Triaxial compression simulation process of nonpenetrating double jointed rock mass under 10 MPa confining pressure
在不斷加載軸壓的過程中,試樣首先于非貫通節(jié)理兩端出現(xiàn)少量剪切與拉伸裂紋;節(jié)理兩端裂紋進一步發(fā)育,導致試樣整體破壞角度與節(jié)理角度相同,巖橋上方出現(xiàn)破裂區(qū);巖橋內(nèi)部剪切裂紋居多,但巖橋并未貫通,當軸壓達到峰值強度時,剪切裂紋過多造成巖橋被貫通,非貫通節(jié)理巖體峰值強度的瞬間降低是巖橋被貫通導致的。隨后,節(jié)理翼裂紋繼續(xù)發(fā)育,左節(jié)理左側(cè)裂紋向下延伸,巖橋內(nèi)部和右節(jié)理右側(cè)裂紋向上延伸,節(jié)理周圍裂紋的發(fā)育引發(fā)節(jié)理內(nèi)部開始發(fā)生破壞,生成節(jié)理拉伸裂紋與節(jié)理剪切裂紋。隨著時間的推移,節(jié)理破壞劇烈,試樣右側(cè)裂紋延伸至模型頂端,整體破壞形式為沿雙節(jié)理方向的破裂帶,節(jié)理的方向?qū)r體破裂帶的走向有著直接的影響。
在實際工程中,開挖卸荷為非線性卸荷,卸荷的速度不定。很多研究按墻體速度卸荷來模擬巖體開挖,墻體速度卸荷方式是指側(cè)向墻體按一定的速度卸載圍壓,但該方式存在以下問題:
1)在實際工程中,圍巖/支護的移動速度并非是固定的,墻體按一定速度模擬卸載并不嚴謹;
2)在模擬過程中,由于徑向變形的增加,會導致圍壓的回彈,從而引起軸壓不降反升,破壞結(jié)果更具有三軸壓縮的特征,并不能確定到底是由卸荷引起的還是軸壓的增加造成的。
應(yīng)力/時步卸荷方式是指按照每時步卸載相同的圍壓來模擬卸荷,該方式能夠更好地降低圍壓,防止反彈,避免結(jié)果的不確定性,同時,PFC中時步與實際時間并非對應(yīng),從而可模擬卸荷的非線性。此外,墻體速度并不固定,從而可模擬圍巖/支護的非線性。因此,與墻體速度卸荷相比,應(yīng)力/時步卸荷方式更具有準確性與說服力。
不同卸荷方式墻體速度曲線如圖9所示;墻體速度卸荷固定為0.7 mm/s,不同卸荷方式的圍壓曲線如圖10所示。從圖10可見:在墻體速度卸荷方式下,圍壓先下降,隨后有明顯的大幅度回升,圍壓升高后,軸壓會繼續(xù)上升,從而導致試樣明顯的三軸壓縮破壞現(xiàn)象;而在應(yīng)力/時步卸荷下,墻體速度并不一定,圍壓卸載曲線基本平滑,卸荷效果較好,結(jié)果更加可信。
基于PFC 軟件的伺服機制,采用應(yīng)力/時步的卸荷方式進行卸圍壓,有效避免了墻體速度卸荷方式的線性約束,模擬結(jié)果可信性更高。
圖9 不同卸荷方式墻體速度曲線Fig.9 Wall speed curve of different unloading modes
圖10 不同卸荷方式圍壓曲線Fig.10 Confining pressure curves of different unloading modes
首先,將軸壓、圍壓加載到相同的水平;其次,在保持圍壓不變的條件下,將軸壓加載到峰值強度的80%;最后,在軸壓加載情況不變的前提下,以25 Pa/步的速度卸載圍壓,直至試樣破壞,從而模擬實際工程非線性加軸壓卸圍壓的開挖卸荷方式。
不同圍壓下卸荷模擬結(jié)果如圖11 所示,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖12所示。三軸壓縮峰值強度與卸荷峰值強度對比見表3。
圖11 非貫通雙節(jié)理巖體模型卸荷結(jié)果Fig.11 Unloading result of intermittent double joint rock mass model
圖12 非貫通雙節(jié)理巖體模型卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Unloading stress-strain curve of intermittent double joint rock mass model
表3 三軸壓縮峰值強度與卸荷峰值強度對比Table 3 Comparison of peak intensity of triaxial compression and unloading
與三軸壓縮模擬相比,卸荷導致試樣的徑向變形增加,卸荷曲線比三軸壓縮曲線更為平滑,巖橋被剪切裂紋與拉伸裂紋貫通,破壞主裂紋沿節(jié)理方向延伸,由于圍壓卸載,節(jié)理面上下兩部分產(chǎn)生滑移運動,相對位移比三軸壓縮的大;節(jié)理破壞更為嚴重,節(jié)理剪切裂紋與拉伸裂紋增多,節(jié)理周圍顆粒無明顯的壓密狀態(tài);隨著卸荷進行,徑向擴容持續(xù),徑向變形發(fā)生少量回彈。當圍壓卸載到卸荷峰值強度后,軸壓與圍壓共同降低,沒有明顯的峰后強度。
以10 MPa 圍壓條件為例,在節(jié)理內(nèi)部及兩端設(shè)置7 個監(jiān)測點,監(jiān)測圓布置圖如圖13 所示;監(jiān)測加軸壓卸圍壓過程中該處的剪應(yīng)力變化情況。模擬過程如圖14所示。
圖13 監(jiān)測圓布置圖Fig.13 Monitoring circle arrangement
圖14 10 MPa圍壓下非貫通雙節(jié)理巖體卸荷模擬過程Fig.14 Unloading simulation process of non-penetrating double jointed rock mass under 10 MPa confining pressure
在卸荷初始階段,軸向應(yīng)力為峰值強度的80%,節(jié)理兩側(cè)有少量剪切與拉伸裂紋,軸向應(yīng)力繼續(xù)增加,巖橋內(nèi)有少許裂紋,但并未貫通(圖14(a));節(jié)理兩端裂紋增多后,巖橋才被貫通,巖橋的破壞速度較三軸壓縮緩慢,且拉伸與剪切裂紋分布較均勻,這與三軸壓縮中剪切裂紋占主體不同;隨著卸荷進行,巖橋上部生成破裂區(qū)(圖14(b)),節(jié)理兩側(cè)裂紋繼續(xù)擴展,并向試樣的兩側(cè)延伸。由于圍壓的卸荷,試樣的承載能力大幅降低,試樣發(fā)生破壞,巖橋的貫通隨后引發(fā)節(jié)理發(fā)生破壞,產(chǎn)生節(jié)理拉伸裂紋與節(jié)理剪切裂紋,翼裂紋的擴展主要表現(xiàn)為拉伸裂紋增多,整體破壞形式初步形成。卸荷結(jié)束后,節(jié)理完全破壞,且破壞程度遠大于三軸模擬的破壞程度(圖14(c)),節(jié)理周圍裂紋延伸至模型頂部,整體破壞形式為沿節(jié)理方向的破壞,試樣被節(jié)理面分為上下兩部分,并產(chǎn)生相對滑移。在卸荷過程中,隨著圍壓降低,徑向約束減小,顆粒逐漸有徑向擴展的趨勢,試樣徑向變形增大,節(jié)理兩端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中,拉伸裂紋向試樣兩側(cè)擴展,在軸向應(yīng)力、徑向卸荷與內(nèi)部剪切力的共同作用下,形成沿節(jié)理的剪切破壞形式,進一步引發(fā)巖橋完全貫通。綜上所述,巖橋內(nèi)部破壞順序為靠近節(jié)理面的部分率先破壞,巖橋中心的破壞緩于巖橋兩端,節(jié)理面的破壞比巖橋的破壞慢。
10 MPa 圍壓下監(jiān)測點剪切力如圖15所示,曲線標號為對應(yīng)監(jiān)測圓標號。
圖15 10 MPa圍壓下監(jiān)測圓剪應(yīng)力Fig.15 Monitoring circular shear stress data under 10 MPa confining pressure
從圖15 可見:卸荷初始時,節(jié)理兩側(cè)剪應(yīng)力較大,巖橋中心次之,2 個節(jié)理面的剪應(yīng)力最小,約為0 MPa;2 條節(jié)理靠近巖橋中心的一側(cè)先發(fā)生破壞,2 號與3 號監(jiān)測圓的剪應(yīng)力突降,1 號監(jiān)測圓的剪應(yīng)力上升;剪應(yīng)力突變后,節(jié)理靠近墻的一側(cè)剪應(yīng)力最大,即7號與6號測量圓的剪應(yīng)力最大,靠近巖橋中心的剪應(yīng)力次之;在巖橋內(nèi)部,2號監(jiān)測圓剪應(yīng)力大于3 號監(jiān)測圓剪應(yīng)力,1 號監(jiān)測圓剪應(yīng)力最??;試樣達到峰值前后,各監(jiān)測圓剪應(yīng)力再次發(fā)生突變,7號、6號、2號、1號監(jiān)測圓的剪應(yīng)力驟降,之后,7 號和3 號監(jiān)測圓的剪應(yīng)力略有上升,說明該位置于峰后承受更大的剪應(yīng)力。巖橋的破壞由兩端翼裂紋的發(fā)育直至整體貫通,節(jié)理面的剪應(yīng)力一直趨近于0 MPa,巖體其他部分充分破壞后,節(jié)理面才發(fā)生破壞。
1)在實際工程中,圍巖/支護的移動速度并不固定,且由于模擬過程中徑向變形增加,導致圍壓回彈,破壞特征與三軸壓縮的相近,因此,按墻體速度卸荷并不嚴謹;應(yīng)力/時步卸荷方式能夠更好地降低圍壓,防止反彈,避免結(jié)果的不確定性,更具有準確性與說服力。
2)在三軸壓縮模擬中,巖橋上部先出現(xiàn)裂紋延伸,隨后引發(fā)巖橋貫通,從而導致峰值應(yīng)力下降,巖橋的破壞以剪切裂紋為主;而在非線性加軸壓卸圍壓模擬中,當軸向應(yīng)力達到峰值時,巖橋并沒有立即破壞,而是緩慢破壞,且拉伸裂紋與剪切裂紋分布較均勻;巖橋被貫通后,裂紋才向巖橋上部進行擴展。
3)節(jié)理的破壞滯后于巖橋的破壞。無論是三軸壓縮,還是加軸壓卸圍壓,節(jié)理均是在巖橋貫通之后開始發(fā)生破壞,首先于節(jié)理兩側(cè)產(chǎn)生拉伸與剪切裂紋,隨后貫穿整個節(jié)理,且在加軸壓卸圍壓條件下,節(jié)理的破壞程度遠大于三軸壓縮的破壞程度。
4)在卸荷過程中,節(jié)理兩側(cè)剪應(yīng)力最大,巖橋中心的次之,2個節(jié)理面的剪應(yīng)力最小,剪應(yīng)力突變造成對應(yīng)位置發(fā)生破壞。