岩石边坡裂节理扩展研究

2018-09-04王从云

安徽冶金科技职业学院学报 2018年3期

王从云

(安徽冶金科技职业学院安徽马鞍山 243041 )

随着国民经济的持续健康发展，特别是西部大开发战略的深入贯彻落实，一大批工程建设项目已经或者即将投入建设。工程建设中地质条件是决定工程成败和质量的决定性因素，而边坡工程在其中的地位举足轻重。边坡工程尤其以大型露天矿山，大型水利水电，大型交通道路，大型建筑基坑为重点。因其全生命周期的长期性和不确定性一直成为研究的热点。岩质边坡不同于土质边坡，其变形破坏受大量内部构造断层和节理的影响。所以岩石是结构性的，分析其节理的扩展机理形式对于研究岩石边坡的破坏有其重要的意义。

1 边坡节理的力学性状

1.1 边坡破坏的节理扩展机制

边坡开挖后，其内部形成应力的重新分布和集中，局部应力集中超过其允许强度后，局部会产出剪切错动、拉裂；原有的裂隙将进一步延伸、扩展 ,裂隙面不断扩大，相互贯通；边坡岩土体的一部分从坡体中分开 ,产生破坏。

边坡滑动沿着单一滑动面破坏的条件：

(1)滑动面的走向近似于坡面平行。

(2)破坏面必须在坡面出露。

(3)破坏面倾角大于该面摩擦角。

节理扩展程度直接影响潜在破坏面坡面的走向，出露位置和破坏面的倾角。

1.2 节理类型与受力分析

图2 三种类型的节理受力情况

按节理的受理状态可将节理分为：Ⅰ型——张开型，Ⅱ型——滑开型，Ⅲ型——撕开型，复合型——三种受力状态同时作用时

Ⅰ型节理的应力分布：

Ⅱ型节理的应力分布：

Ⅲ型节理的应力分布：

复合型节理的应力分布：

(4)

KⅠ、KⅡ、KⅢ分别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹尖端的应力强度因子。r 、 θ分别为裂纹尖端附近点的极坐标。

把Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的应力状态相加，可得平面节理尖端附近的应力状态一般表达式，其中除应力点的坐标位置外，仅有三个参数KⅠ、KⅡ、KⅢ 分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的应力强度因子，它们可以由构件和节理的形式和外载荷的大小所确定。

在节理的尖端， γ=0处的应力为无限大，出现了应力歧义点。但对于距离尖端某一定位置的点(γ，θ)来说，包括在某一很小的，但是固定下来的γ值下，其应力大小完全取决于应力强度因子K。

1.3 节理的扩展方向

从节理源向外扩散的羽纹代表了局部节理扩展的方向, 而其汇聚点则确定了节理源的位置。

节理的扩展由节理尖端的应力场所控制，节理扩展轨迹取决于节理尖端应力场。

节理扩展能是节理方位的函数，能够产生最大扩展能的方位就是节理最可能扩展方向。

1.4 节理的发展和破坏

节理的扩展由节理尖端的应力场所控制, 而该应力场可用应力强度因子(K )表示, 根据K 可以建立节理扩展的准则，KⅠ、KⅡ、KⅢ分别Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ型裂纹尖端的应力强度因子，其值不仅与应力场有关, 也与裂隙的尺寸及形状有关。将K1达到极限值K1C时,节理将会扩展，其中K1C为岩石的断裂韧度。

Griffith准则认为：对于单个裂隙，当其裂隙扩展时，将释放弹性能，同时新形成的裂隙表面将有表面能的增加，如释放能量与表面能的增加相平衡，则裂隙停止扩展。如果裂隙增加导致总能量减少，裂隙会继续发展。

岩石破坏是由内部的裂隙所决定的，在裂隙尖端产生应力集中，从而使裂纹扩展，以至破坏。在远场张应力的作用下，当应力达到(Er/c)1/2，其中E为杨氏模量，r为单位面积表面能，C为裂隙半长度，裂隙开始延伸扩张直至破坏。

1.5 节理的尖灭

随着节理从节理源向终节理端点塑性区和微观裂隙的存在, 这种非弹性变形层的存在减少了节理尖端的应力集中程度。

随着节理从节理源向终点的扩展，其所留下的塑性带必然会影响节理的表面特征。

节理通常终止在诸如岩石边界、断或另外的节理等处, 而呈“T”形。

2 非贯通节理边坡的问题

2.1 问题提出

图3 贯通节理与非贯通节理单元受力特征

前面的的节理扩展的形式，方向，应力状态都是在节理被整个岩体的包围下分析的，对于贯通地面的节理扩展的方向和应力状态有较大的差异。在岩石边坡中贯通地面的节理就是边坡顶面的张裂缝，Barton发现张裂缝是由于岩体中微小的剪切移动所产生的，虽然这些单个移动很小，但是他们的累积效应便是边坡表面的明显位移，足以造成边坡坡顶线后面的直立的节理分离并形成张裂缝。所以hoke认为张裂缝的出现时边坡不稳定的标志。分析边坡张裂缝的临界深度和形态，张裂缝尖端的应力分布从而推演出边坡内部节理继续扩展的情况以及边坡整体的破坏形式，有助于边坡的稳定性分析和后续边坡的加固工作。