裂隙岩体破裂演化研究进展

时间：2024-08-31

刘志芳，李小双

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000）

随着浅部资源露天矿的日益枯竭，一大批金属或非金属矿已进入深部开采[1-2]。深部岩体是一种由地应力水平、采动应力及围岩属性共同影响的力学状态[3]。长期露天爆破、机械开挖、风化活动等人工与自然活动的共同作用使得完整岩体内部产生大量的层理、错动带、断层、裂隙等非连续结构面，这类非连续结构面统称为裂隙岩体。在雨水、冻融、地震、人工扰动等因素的作用下该类岩体很容易诱发矿山边坡体滑移变形破坏，造成工程事故频发，给国家和人民造成重大的生命与财产损失。因此，深入认识裂隙岩体的破坏机理具有重要的科学意义与工程参考价值。

裂隙岩体的变形破坏是一种不连续、各向异性、非弹性变形的损伤破坏。岩体微裂纹的扩展、汇合和贯通是岩体变形局部化破坏和失稳的前兆。Yang 等通过预制单裂隙砂岩试样进行了单轴压缩试验，结果表明，裂隙长度、倾角对裂隙岩体强度和变形破坏有较大的影响[4]。Wang 等采用单轴压缩试验，研究不同倾角、不同长度、不同宽度、不同数量的裂隙几何参数对低强度岩石试样力学性能和变形破坏模式的影响，结果表明，预存裂隙减小了超静定应力、弹性模量和轴向峰值应变，但减小程度与预存裂隙几何形状密切相关[5]。申艳军等对不同角度裂隙岩体在冻融循环作用下的局部损伤效应进行分析，验证了因局部化损伤效应造成的端部断裂特性及裂纹扩展路径规律[6]。也有学者采用室内力学试验与数值模拟相结合，分析裂隙岩体在不同条件下的损伤破裂机制。汪子华等对预制单节理裂隙岩体进行单轴压缩与FLAC3D数值模拟试验，研究了节理面不同倾角、厚度、长度对单裂隙岩体抗拉强度的影响[7]。

综合以上研究，目前裂隙岩体的研究重点仍是不同裂隙几何参数对岩体整体强度的破坏演化机理，但工程岩体所具有的尺寸效应，使得裂隙岩体的破裂演化与损伤机理有所差别。本文以裂隙岩体破裂演化为基础，简述了前人对裂隙岩体失稳破坏演化研究成果，对裂隙岩体室内小尺寸力学实验、数值模拟实验、大型工程尺寸模型实验进行总结，指出当前裂隙岩体破裂机理研究所存在的问题，并提出具体解决方案。

1 裂隙岩体破裂演化机理

1.1 室内小尺寸力学实验裂隙扩展机理研究

对试件小尺寸割理、层理裂隙岩体，基于断裂力学理论，众多学者借助高分辨率数码相机、扫描电镜与CT 扫描机等先进仪器设备，通过模型材料或者真实岩石材料开展室内单轴、双轴和三轴压缩试验及直接剪切试验，研究不同条件（岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目、裂隙倾角与裂隙贯通度）、不同应力（加载、卸载）等条件下岩体裂隙（裂纹）扩展演化与破裂机理。Sprunt 等首次采用扫描电镜(SEM)开展岩石微裂纹扩展机理研究[8]。Bubeck 等通过CT 扫描岩石内部裂纹扩展规律，发现岩石内部裂纹形状呈现出亚球形孔隙到细长扁椭球体不均匀分布[9]。此外，由于含有裂隙岩石试样制作的复杂性，且实验材料类型的多样化，许多学者采用不同材料的相似配比制作岩样，众多实验表明采用实验材料相似配比所测得的力学性质与采用真实裂隙岩石进行室内力学实验结果相吻合。常用的相似配比试验材料包括：水泥砂浆、哥伦比亚树脂、石膏、聚氯乙烯（PVC）合成树脂、有机玻璃等。Zhou 等利用3D 打印技术，将树脂作为相似材料研究真实岩石样本裂纹的扩展机理[10]。Yang 等采用将水泥、砂子、水等材料制作含有贯通裂隙的岩样，进行室内单轴压缩实验，试验结果表明在单轴压缩过程中，原生裂纹可加速翼裂纹扩展，并导致岩石试样发生破坏[11]。虽然通过相似配比实验材料可以在一定程度上得到与真实岩石相类似的试验结果，但仍与真实裂隙岩石裂纹扩展机理有所区别。近几年众多学者通过现场取样得到真实岩体，加工制作成不同裂隙倾角、数量、长度、间距、岩桥倾角等设定条件，多角度研究裂隙扩展演化机理。其中，单轴压缩实验是常用研究岩体力学特性常用的方法。李露露等对三叉裂隙岩石试样进行室内单轴压缩实验，分析了裂隙倾角的影响及岩样的破坏机理[12]。结果表明：张拉破坏容易导致三叉裂隙在单轴压缩条件下失效，当施加的荷载达到一定阶段时，应力会集中出现在裂隙尖端，然后出现新裂纹开始发育成破裂区，直至出现宏观裂纹。但该研究并未深入探讨其他不同几何参数（岩桥倾角、裂隙长度、裂隙数目等）对微孔隙岩体力学特性的影响。蒲成志等通过预制多裂隙试件开展单轴压缩实验，揭示了裂隙倾角、裂隙密度对试件强度破坏具有较大影响[13]。王宇等以非贯通裂隙软岩作为对象开展单轴压缩试验[14]。实验结果表明：不同裂隙排数、倾角、裂纹深度会得到不同的裂纹类型与贯通机理。倾角相同，不同排数的试样强度随着裂隙贯通深度的增加而降低，单排裂隙基本以张拉破坏为主(不含60°倾角)裂隙则以剪切破坏为主，裂隙排数对试样贯通机制起主导作用。

在实际工程中，岩体多承受其侧向压力的作用。成江对预制双裂类岩板试件进行双轴压缩试验，分析了不同裂隙倾角和不同岩桥角度对岩体破坏模式的影响[15]。试验结果表明：双轴压缩下双裂隙岩体应力-应变曲线呈现S 型，裂纹历经压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的萌生和扩展(或试件局部变形)及应变软化阶段。当裂隙倾角相同，随着岩桥角度的增大，岩桥区域的贯通模式将由剪切裂纹贯通模式向翼形裂纹及剪切裂纹的复合贯通模式过渡，然后再向翼形裂纹贯通模式逐渐转化。Chang 等对单一填充裂纹岩石试样采用压缩试验与数值模拟研究填料对裂缝形态、荷载-位移响应和试件强度的影响[16]。结果表明：控制裂纹存在临界填充强度，且影响着裂纹的形态与扩展路径，当填充强度低于临界值，填充裂纹对裂纹形态及扩展路径影响较小，反之，影响较大。

单轴压缩实验还是双轴压缩实验在模拟真实岩体所处赋存环境上均有一定出入，但仍然可以反映出裂隙岩体在受压作用下，反映出的力学机理。在模拟真实岩体环境方面，三轴压缩实验更能真实再现地应力作用下的裂岩特性，因此，采用该方法开展力学特性研究也逐渐成为常态。Huang 等通过室内常规三轴压缩试验，解释了不同围压对预制双裂隙扩展贯通机理的影响[17]。Li 等以石膏作为模拟材料，对预制圆形隧洞进行真三轴压缩实验，分析其脆性围岩破坏机理[18]。朱珍德等对新型岩石材料三维裂纹扩展贯通机理进行常规三轴压缩实验，详细分析了不同岩桥倾角、裂隙间距、裂隙数量对抗压强度的影响[19]。试验结果表明：不同岩桥倾角和裂隙间距下，张拉翼裂纹、反翼裂纹、花瓣裂纹呈现出不同的贯通模式。黄彦华等通过预制不平行双裂隙开展不同围压下常规三轴压缩试验[20]。试验结果显示：围压相等，裂隙岩样的三轴压缩强度较完整岩样大幅度减小，随着裂隙倾角的增大，减小幅度也逐渐变缓，此时裂隙岩样的压缩强度呈现增大趋势。裂隙倾角一样时，围压大小与完整及裂隙岩样的三轴压缩强度呈正相关，这表明裂隙岩样强度与裂隙倾角的大小密切相关（见图1）。

1.2 数值模拟裂隙岩体损伤机制研究

基于断裂力学与损伤力学的基本原理，采用等效连续介质力学（岩体代表性体积单元REV）与离散介质力学的方法，通过数值模拟软件，对裂隙岩体各种不同条件（不同的岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目、裂隙倾角与裂隙贯通度）下岩石材料的应力、变形和破裂演化过程进行仿真，揭示裂隙岩体力学行为的损伤机制。采用先进的数值模拟手段既可以满足计算精度的要求又可以减轻室内力学实验工作量。Li等针对深部岩体采用离散元法（DEM）模拟了预裂隙岩体卸荷过程，同时采用PFC 颗粒流软件研究了卸荷速率和裂纹倾角对预缺陷岩体卸荷强度和开裂性能的影响[21]。结果表明：不同卸载周期的预缺陷试件的整体开裂范围分布基本相同，而不同裂纹倾角的预缺陷试件的整体开裂分布存在明显差异。孟凡非等借助于PFC3D颗粒离散元软件，建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型，分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响[22]。研究发现，扩展裂隙发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。随着数值模拟方法研究裂隙岩体损伤机制的逐渐深入，不少学者将其应用于带有裂隙岩体的岩质边坡中。胡训健等采用颗粒流软件PFC2D研究了在地震作用下不同岩桥长度及节理间距下节理岩质边坡的破坏模式、损伤演化规律及不同岩桥段应力演化特征[23]。赵海军等基于离散元方法，考虑裂隙产状、模型加载及裂隙分布，建立一套裂隙力学计算模型，分析了不同模型裂隙扩展演化规律对岩体破坏路径及强度的影响[24]。周子涵等建立断续节理岩质边坡尖点突变理论模型，研究不同节理长度、摩擦角、黏聚力、岩石摩擦角、岩石黏聚力等因素对边坡稳定的影响，推导出边坡临界失稳高度，并采用FLAC3D软件探讨不同节理连通率、节理倾角岩质边坡的破坏形态，评判尖点突变理论模型的适用性[25]。

1.3 大型物理模型实验

对含有大尺寸（工程尺寸）节理裂隙的岩体，基于等效连续介质力学与损伤力学原理，通过大型室内地质力学模型试验，在工程尺度上探求裂隙岩体变形破裂的损伤力学机制及强度特性。控制裂隙岩体变形、破裂损伤等力学特性的主要影响因素是岩体的结构特征，但由于岩石具有尺寸效应，通过室内小尺寸岩石实验并不能真实反映大型岩体的结构特征。大型地质力学模型实验考虑了大型岩体结构特征及赋存环境，相比较现场原位实验，具有工程量小，投入资金少等优势，但在研究裂隙岩体强度、变形、破坏损伤力学机制方面较少，主要集中于煤炭深部开采。王德超等以赵楼煤矿深井为工程对象，采用大型地质力学模型试验系统，系统分析了不同煤柱宽度下围岩应力分布规律，结果显示，3～8 m 时煤柱宽度围岩应力呈三角分布，8 m 矿柱时呈梯形分布，煤柱宽度越大，最大竖向应力也相应增大[26]。张绪涛等以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景，利用相似材料模型和高地应力真三维加载模型试验系统，首次开展含有软弱夹层的层状节理岩体真三维地质力学模型试验[27]。也有学者通过现场原位试验与数值模拟的结合，对超千米深井采动应力场进行研究。张建国、郭依宝等以平煤十二矿工作面为实验基地，采用原位监测及三维数值模拟探讨了深部煤岩采动应力及裂隙演化规律[28-29]。

2 存在的问题及解决办法

通过总结国内外学者对裂隙岩体破裂演化机理取得的成果可以看出，前人依据试样工程尺寸研究了裂隙几何分布（裂隙数量、倾角、岩桥倾角）及不同实验手段下裂隙岩体破裂演化机制，但实验对象多以浅部裂隙岩体或岩样为对象。随着矿山开采日益向深部挖掘，深部岩体所赋予的独有特征，使得裂隙岩体的开采更加复杂，因此，笔者认为以下几点值得专业学者重视：

1）受现场实际条件限制，目前实验室取样多是由材料相似配比获得。已有研究表明，室内力学模型试样与真实岩样，在变形特征、强度、破坏模式上均有一定程度差异，因此，采用真实裂隙岩样研究破坏机理的报道几乎未见过。

2）现有裂隙岩体的研究多是单纯地考虑不同几何裂隙分布相互作用力下的破裂机理，忽略了实际工程中外在的附加影响因素，如降雨、地震、冻融、开挖扰动等，即单点因素研究多，耦合研究少。

3）通过总结不同工程尺寸层理裂隙岩体实验方法，笔者得出将数值模拟手段应用于岩体力学领域所面临的难点在于如何准确地选定岩体物理力学参数，而力学参数的选取与岩体所处的原位环境存在相关性。裂隙岩体进入破坏模式后，其破裂演化机理将发生转变，传统数值模拟破坏准则并不能精确解释破坏后力学行为，亟需建立与实际环境相适合的本构关系、破坏准则。

4）随着浅部资源的枯竭，深部开采已是趋势。然而深部裂隙岩体的破坏机理与浅部岩体存在明显的区别，如：在深部环境下硬岩会产生时间效应，表现为流变和蠕变效应，而这与一般矿山开采理论是相悖的[30-34]；且不同开采深度所表现出岩石破坏机理存在显著差异[35]，即浅部岩体主要表现为动态破坏形态，具有脆性力学响应，深部岩体则为准静态破坏，呈现出脆-延转化特征。因此，对裂隙岩体破坏机理的研究，要“由浅入深”探索出不同深度环境下裂隙岩体演化新理论。