王桂馨,余偉健,2*

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

隨著資源開采及基礎建設規(guī)模不斷擴大,地下開挖及開采越來越向復雜地質環(huán)境發(fā)展,尤其是深部開采時頻繁會遇到地質構造較為復雜的巖體.一般來講,巖體的力學特性主要由巖石強度和裂隙發(fā)育程度等因素決定,通過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn),在一定的地質條件下裂隙是影響巖體力學強度最關鍵的因素.由于巖石發(fā)生變形和破壞是損傷和裂紋交互擴展的過程,會表現(xiàn)出強烈的非線性,且力學特性及其破壞機制均存在著一定程度的不確定性[1-4],在裂紋貫通后進入非連續(xù)狀態(tài),其力學特性不可逆,因此絕大多數(shù)地下工程失穩(wěn)破壞都與其巖體內部裂隙發(fā)育、擴展密切相關.

裂隙巖體的工程實踐表明,針對地下工程裂隙的分布以及擴展機理展開研究,對成巷過程中的圍巖控制設計有著很重要的理論指導意義.在研究裂隙巖體工程性質的初期階段,L Muller教授認為對于巖體變形,90%～95%的變形其實不源于單元塊體的變形,而是產(chǎn)生于裂隙.隨著圍巖穩(wěn)定性分析的實用價值逐漸被國內外地下工程界所公認,人們對裂隙巖體的認識也不斷深入,王家來和左宏偉[5]利用巖石進行單軸壓縮試驗并建立了裂隙擴展能量方程,從而分析巖石破裂過程中的裂隙發(fā)育機理.由于裂隙分布的不均勻以及幾何參數(shù)的隨機性,郭少華[6]利用巖石類材料進行單軸壓縮試驗并進行相關數(shù)據(jù)分析,探討了巖石壓縮斷裂時次生裂紋的產(chǎn)生機理.因高地應力作用下,巖體內各類型裂紋間會相互搭接、貫通,從而導致巖體損傷甚至破裂,A Bobet等[7-8]對翼裂紋以及次生裂紋的起裂和擴展機制展開分析研究,歸納總結了裂紋擴展演化規(guī)律.由于數(shù)值模擬分析在巖體力學與工程領域的認可度一步步提升從而得以較高速的發(fā)展,王士民和劉豐軍等[9]采用數(shù)值模擬對預制裂紋脆性巖石的破壞規(guī)律開展了初步研究,分析了裂紋對巖石破壞的影響機制;朱紅光和謝和平等[10]借助CT掃描獲取單軸壓縮時巖石內部的密度分布信息,分析研究了微裂隙演化效應.由于深埋巷道中裂隙圍巖體與支護體系是一個高度非線性、不斷變化的復雜系統(tǒng),余偉健和李可等[11]利用離散裂隙網(wǎng)絡在FLAC3D對裂隙巖體進行等比例重構還原,分析了常規(guī)支護下裂隙巷道圍巖的破裂特征;劉華[12]運用離散元方法中的BBM模型[13]模擬并分析了含裂隙類巖體在加卸載過程中裂隙的擴展模式以及破裂機理.

裂隙巖體是相對比較復雜的工程地質體,多數(shù)學者已針對裂隙巖體開展了大量試驗研究和數(shù)值模擬分析,本文嘗試從巖體力學角度出發(fā),利用紅砂巖材料進行單軸加載試驗,細致分析裂隙巖體的力學特性、了解巖體的破壞過程以及多類型裂紋貫通擴展規(guī)律,在完善復雜巖體基礎性研究的基礎上彌補了以往忽略脆性指標的研究固有思路,因而更為準確的檢測巖體裂紋并進一步總結裂隙巖體的結構損傷機制.

1 試件制備及試驗方法

1.1 試驗材料

為深入驗證巖體裂紋擴展與脆性特征之間的內在關聯(lián)性,把裂隙巖體中極具代表性的砂巖作為試件,試驗所用巖樣本選用紅砂巖,試件尺寸:底部直徑×高=50 mm×100 mm,預制裂隙傾角固定為45°,裂縫長度為12 mm,裂隙張開度為1.0 mm.分別預制無縫、單縫、平行雙縫、平行三縫這4種不同類型的紅砂巖巖樣,預制裂隙布置及試件尺寸示意圖如圖1所示,裂縫統(tǒng)一布置在試件的中心區(qū)域,其中α為預制裂隙與水平方向的夾角.同等預置類型每種條件下制備4個砂巖試件,共計16個試件,取每組試驗數(shù)據(jù)的平均值進行相關研究分析.

圖1 紅砂巖試件裂隙布置及尺寸

1.2 試驗系統(tǒng)及方法

采用RYL-600微機控制巖石剪切流變儀對4組不同預處理的裂隙巖石試樣進行常規(guī)的單軸加載試驗(見圖2).單軸壓縮試驗加載時以軸向荷載作為控制指標,以100 N/s的速度對4組巖樣分別加載直至破壞,記錄試驗過程的應力-應變曲線.

圖2 試樣加載

在室內實驗的基礎上,根據(jù)實驗結果對此類巖石在單軸壓縮下的強度及變形特征進行分析,利用單軸壓縮實驗所得的軸向應力應變關系曲線和不同預制條件下裂紋擴展演化圖相結合,分析含貫通性裂隙巖體的力學特性以及裂紋的擴展貫通機理,試驗方法大致流程如圖3所示.

圖3 試驗方法流程

2 裂隙巖體力學特性分析

2.1 紅砂巖單軸壓縮變形特征分析

圖4為含不同預制裂隙數(shù)量的試件的應力-應變曲線.分析圖4曲線可知:在一定裂隙傾角下,完整試件的單軸抗壓強度可達到23 MPa,其彈性模量在達到峰值前一直處于較穩(wěn)定狀態(tài);對于裂隙巖體而言,峰前彈性模量隨著加載呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,峰值過后巖樣的應力-應變曲線開始呈現(xiàn)較明顯的塑性特征,說明巖體內部原有裂紋壓密后新生裂紋開始萌生、擴展,其數(shù)值變化往往發(fā)生在起裂點前后.以平行雙裂隙巖樣(圖4 U-2-2-45-Y)為例可看出,加載初期,試樣的主應力-應變差最大值分布在預置裂隙中心區(qū)域,預制裂紋首先損傷且裂隙穩(wěn)定擴展,但應力未達到最大破壞應力,到達第一個起裂點時,此時巖樣內部微裂隙相對緩慢且穩(wěn)定的擴展;當達到或接近應力峰值時,裂紋擴展路徑曲折且緊接著到達第二個起裂點,所受應力超過其起裂強度時,裂隙間的相互溝通形成圍巖破裂區(qū),裂紋突然開始加速擴展,應力集中作用強度增加,隨后應力值從17 MPa降到2 MPa,此時,巖體內部變形復雜且大面積產(chǎn)生破裂,預制裂紋首先損傷發(fā)生剪切破壞,承載能力降低,殘余強度逐漸下降;隨著加載繼續(xù),主應力應變最大差值處更替為裂隙兩端,裂紋由沿預制方向延伸到試件上下兩端,直至裂縫徹底貫通,此時殘余強度基本為零.

圖4 含不同預制裂隙數(shù)量的試件應力-應變曲線

試樣峰值強度的試驗結果如圖5所示,從曲線趨勢上可看出, 固定45°裂隙傾角下,當預制裂隙數(shù)量由0條逐漸增加到3條,完整巖石試件與裂隙巖體試件的峰值強度相差明顯;與此同時,與其峰值強度相應的應變值隨預制裂隙數(shù)量的增多而減小.說明持續(xù)荷載下裂紋萌生發(fā)育數(shù)量越多,應力集中越嚴重,巖樣強度因此逐漸被削弱.

圖5 預制巖樣的縫隙條數(shù)對峰值強度σp的影響

2.2 引入應力強度因子進行判別

斷裂力學常建立在構件內部含有初始缺陷這一前提下,用于研究脆性材料中的裂紋擴展機理,從而歸納出帶裂紋構件的安全設計準則.早期的斷裂力學是基于能量守恒定律和能量釋放觀點所建立的,隨后謝和平和高峰[14]等通過系統(tǒng)研究巖石微觀破裂機制及裂隙分型擴展損傷效應,開拓出巖石力學與分形幾何研究的新領域;王志[15]在巖石斷裂特征之上建立最大應力強度因子比斷裂準則,從而進一步驗證獲取復雜加載下巖體的斷裂模式.巖體破裂一定程度上是受力過程中微裂紋萌生、擴展直至連通巖橋的結果,在一定力學效應下,含初始裂紋的巖樣產(chǎn)生應力集中并發(fā)生在裂紋尖端,裂紋尖端通常會存在微裂隙形成典型的斷裂過程區(qū)(Fracture Process Zone,FPZ)[16],接連著初始裂紋開始擴展，當初始裂紋超過一定尺寸范圍,脆性裂紋以較高速度進一步延伸擴展,直至斷裂.由于存在FPZ,巖體的斷裂行為存在一定的非線性,因此現(xiàn)有的線彈性斷裂理論無法準確描述復雜巖性的斷裂行徑[17-18].簡言之,巖體由于應力環(huán)境狀態(tài)的迥異,堅硬圍巖體極大可能先出現(xiàn)翼裂紋(低應力條件下)或次生裂紋(高應力條件下),巖體不連續(xù)面如何擴展與其尖端應力強度因子有著密不可分的聯(lián)系,如目前已有學者在有限元的基礎上利用奇異單元、邊界配置法等[19-20]來模擬計算裂紋尖端的應力集中現(xiàn)象,故可把應力強度因子K等作為控制裂紋擴展的參照量,進而較為實際地對巖體失穩(wěn)破裂進行合理預判.

假設裂紋尖端塑性區(qū)與裂紋長度及試件寬度相比較小,根據(jù)線彈性理論,可得到不同類型裂紋尖端附近的應力場解析表達式.以張拉型裂紋為例,在如圖6所示的極坐標系中,由式(1)[21]可得此裂紋尖端的應力表達式.

(1)

圖6 裂紋尖端極坐標

式中:K1為張拉型裂紋應力強度因子.當應力強度因子K達到其臨界值時,裂紋就會延伸擴展最終導致試件斷裂破壞,應力強度因子的臨界值用斷裂韌度Kc表示,顯然值越大裂紋越不容易擴展,即當KKc時裂紋延伸擴展.大量研究表明,巖體穩(wěn)定性的差異和破壞的不均勻性往往是各種缺陷相互作用、擴展的結果[22],所以在考慮裂隙巖體內部多裂紋相互作用時,引入應力強度因子影響系數(shù)K作為評判裂紋是否擴展貫通的參量并結合裂紋疊加原理,以便于進一步分析研究不同裂紋組合相互作用的應力特征.

2.3 裂紋擴展貫通規(guī)律分析

含裂隙類巖體是地下工程施工經(jīng)常遇到的對象,巖體破壞的本質也是裂隙群的擴展演化,通過對單裂隙的研究發(fā)現(xiàn),其在壓縮荷載下產(chǎn)生于預制裂隙尖端,首次起裂并沿加載方向擴展的裂紋為翼裂紋,如圖7[23]所示. 裂隙擴展路徑主要有張拉型翼裂紋擴展(產(chǎn)生于預制裂隙尖端)、張拉型反翼裂紋擴展、剪切型翼裂紋擴展(與翼裂紋萌生方向相反)、剪切型滑移裂紋擴展(沿原預制方向)[23-24].當達到臨界強度值的翼裂紋沿垂直裂隙平面的擴展路徑達到上限時,次生裂紋開始滋生,且裂隙較外側的翼裂紋會在最大拉應力作用下繼續(xù)沿最大加載方向擴展延伸.

圖7 巖體內單裂隙的裂紋擴展類型

圖8為裂紋擴展演化圖，由圖8可以較清晰地看出:

1)無裂縫的砂巖巖樣在持續(xù)加載作用下呈現(xiàn)出明顯的壓剪破壞,伴隨著加載的進行,試樣中只產(chǎn)生近似平行于受力方向的剪切型裂紋，見圖8a.

2)含45°預置單裂縫的砂巖巖樣隨著持續(xù)的豎向加壓,可以明顯看出張拉型翼裂紋的萌生和擴展起初是圍繞裂隙缺陷尖端產(chǎn)生的,在應力達到峰值前裂紋擴展相對穩(wěn)定,隨著后期加載,上下張拉型翼裂紋逐漸向遠處不斷延伸擴展直至連通巖橋,導致試件發(fā)生張拉破壞從而裂隙徹底貫通,從而最終失去承載能力，見圖8b.

3)含45°預置雙裂縫的砂巖巖樣隨著軸向應力的持續(xù)加載,在加載初期階段,原始裂紋兩端首先產(chǎn)生初始翼裂紋;隨后次生裂紋通過不間斷的搭接機制[25]慢慢連通裂隙L1和L2兩端,翼裂紋開始沿最大加載方向擴展;加載后期,靠近原始裂隙兩端產(chǎn)生張拉型翼裂紋,最終試樣由于剪切反翼裂紋和原生裂紋貫通形成剪切帶[26],從而破裂失穩(wěn)，見圖8c.

4)含45°預置平行三裂縫的砂巖巖樣隨著軸向應力的不斷增加,觀察可得,試件先產(chǎn)生張拉型翼裂紋,由于軸向變形的增加,次生裂紋逐漸貫通預制裂紋,預置裂隙巖體周圍局部逐漸開始萌生反向翼裂紋并向巖樣端部擴展,隨后在巖樣的上方區(qū)域也迅速出現(xiàn)了與軸向荷載近似平行的翼型裂紋,且萌生的新裂紋往往是拉剪復合型翼裂紋,最后試件由于三條預制裂隙之間出現(xiàn)“拉貫通”[27],失去其承載能力，見圖8d.

圖8 單軸加載下含45°傾角裂隙砂巖的裂紋擴展演化

3 結論

1)巖石作為復雜地質構造運動所形成的復雜材料,在持續(xù)荷載作用下,含初始裂隙的巖體破壞并不是突然發(fā)生的,歸結于巖體內部原生裂隙的遞進式擴展加以次生裂隙的滋生,兩者相互作用以此產(chǎn)生“1+1>2”的效應,從而導致巖體破裂失穩(wěn).

2)對于裂隙巖體而言,峰前彈性模量隨著加載呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,峰值過后巖樣的應力-應變曲線開始呈現(xiàn)較明顯的塑性特征,損傷首先從預制裂隙處產(chǎn)生,可通過引入裂紋尖端的應力強度因子K作為控制裂紋擴展參量,進一步分析總結不同類型裂紋相互組合疊加的應力特征.

3)預制巖體整體破壞主要是由于次生裂紋的大量產(chǎn)生和迅速擴展貫通,在45°裂隙傾角下,對于裂隙巖石試樣,隨著加載的不斷進行,主應力應變最大差值處更替為裂隙兩端,裂紋由起初的沿預制方向擴展更替到向試件上下兩端延伸到試件端部,裂縫因此貫通.