交叉节理类岩石裂隙扩展规律研究

陈云娟刘洪钊尹福强崔亦秦刘华军

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东省国土测绘院，山东 济南 250102；3.山东建筑大学资产处，山东济南250101)

0 引言

自然界岩体含有许多形态各异、大小不等的不连续面，其存在很大程度上影响了岩体的力学特性和强度特性。交叉节理是自然界岩体不连续面的一种普遍存在形式，研究交叉节理岩体受压条件下的破坏规律对于岩体工程稳定性分析具有重要意义[1-4]。由于试验条件和试验装置的限制，目前的研究主要集中于单节理、平行节理、断续节理、洞室等不连续体形式，对于交叉节理岩体裂隙扩展规律的研究比较少。

近几年，越来越多的学者开始关注并深入研究交叉节理岩体裂隙扩展的规律。李露露等[5]研究了三叉裂隙类岩石试样在单轴压缩条件下的破坏规律，分析了交叉裂隙角度的影响和岩样的破裂形式；Liu等[6]对T型和单X型节理试件的裂隙扩展规律进行了试验研究；Cao等[7]通过试验和数值模拟分析了不连续交叉节理类岩石试件单轴压缩条件下的破坏过程，并分析了能量释放机理。张波等[8-11]将交叉裂隙预置为主裂隙和次裂隙，研究了交叉裂隙试样的破坏机制，并分析了锚固位置对节理岩体强度的影响；此外，文献[12-16] 研究了水流在岩体交叉裂隙中的运移问题，并分析了交叉裂隙岩体的渗流特性。

尽管已有的研究取得了较大的进展，但成果多集中于单交叉裂隙的扩展形态及强度研究方面。文章基于已有的研究成果，依据可重复性强、经济快速的原则，配制单X贯通型和双X型交叉节理类岩石试件，研究其在单向压缩条件下的裂隙扩展规律，并采用非连续变形分析方法DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure)，仿真模拟岩体裂隙扩展的非连续变形路径，共同揭示交叉节理类岩石的裂隙扩展机理，可为岩体工程安全施工和稳定性分析提供参考依据。

1 单X型交叉节理岩体裂隙扩展规律试验研究

选用的岩石原型为砂岩。经过多次配比优选试验，最终确定类岩石材料选用砂子、水泥、减水剂和水，其质量配比为 0.97∶1.00∶0.03∶0.30。 其中，砂子为普通河砂，采用1.18、0.60、0.30和0.15 mm等4种颗粒级配，其质量比为 1.33∶1.11∶1.00∶1.00；水泥选用标号为42.5的普通硅酸盐水泥。采用减水剂可以起到降低水与水泥的用量、减少水泥砂浆的凝结时间及提高水泥砂浆的可塑性等作用。节理采用聚氯乙烯薄片来模拟制作，其尺寸为0.5 mm×15 mm。类岩石试件加工尺寸为140 mm×70 mm×45 mm，浇筑完成后，先在养护箱中养护约2周，待其物理力学性质稳定后，再进行加载分析。类岩石试件加工模具如图1所示。单X型节理角度和加工完成的部分单X型节理类岩石试件，分别如图2、3所示。

图1 试件加工模具图

图2 单X型节理角度示意图

图3 单X型交叉节理类岩石试件图

通过声发射仪选取声速稳定的类岩石试件进行单向压缩条件下的裂隙扩展试验研究，交叉节理角度组合分别为 30°＆ 45°，45°＆ 45°和45°＆ 60°，每种工况15块。对类岩石试件进行常规单轴加载试验，试验仪器采用山东建筑大学岩石力学实验室中的微机控制电液伺服机，该试验机可实现拉伸、抗压、剪切和弯曲测试等功能。试验过程中先对试件进行力控制，再进行位移控制，压缩过程适时录像并记录其应力—应变曲线。试件加载完成后，单X型节理试件的破裂形态如图4所示，红色节理为主裂隙扩展节理，绿色节理为次裂隙扩展节理。

图4 单X型节理试件裂隙扩展图

由图4可知，单X型节理试件受到竖向压缩后，红色节理作为起裂节理，试件主要沿红色节理进行裂隙扩展，红色节理裂隙扩展的规模和范围远远大于绿色节理。当左右2条节理角度相同时(45°＆45°组合)，类岩石试件受到单轴压缩应力后，2条节理的受力条件较为一致，能量释放程度处于同步状态，基本没有强弱之分；而当左右2条节理角度不相同时(30°＆ 45°组合以及 45°＆ 60°组合)，类岩石试件受到单轴压缩应力后，打破了原有的均衡应力状态，与此同时，2条节理的能量释放程度也不相同，裂隙会以其中一条节理的裂隙扩展为主，储存的能量也主要伴随该节理裂隙的扩展贯通而释放。

2 双X型交叉节理岩体裂隙扩展规律试验研究

自然界中岩体的交叉节理往往不是单一的，由于长期受到自然地质的作用，岩体会出现各种各样的交叉节理，因此，为了进一步反应自然界中岩体交叉节理的状态，在单X型节理研究的基础上，对双X型节理试件的裂隙扩展规律进行了试验研究。双X型节理试件的示意图和制作的部分类岩石试件如图5(a)～(d)所示。试件受到单向压缩作用后，试件的裂隙扩展形态如图5(e)～(l)所示。

图5 双X型节理试件裂隙扩展图

由图5可知，双X型节理试件受到单向压缩作用后，大约1/2的类岩石试件中，上端一组X型节理在裂隙扩展过程中起着主控作用，能量释放主要沿着该组裂隙的扩展进行，最终达到新的应力平衡，试件的破裂形态如图5(e)～(h)所示；同样有一半的类岩石试件，裂隙扩展以下端一组X型节理为主，试件的破裂形态如图5(i)～(l)所示。因此，其他影响因素相同的条件下，岩体受到压缩作用，裂隙扩展会从某组X型节理起裂，以该组节理为突破口并迅速扩展、贯通来释放储存在岩体中的能量，而另一组X型节理相对来说，裂隙扩展规模和程度明显小于该组节理。从目前试验结果来看，该突破口X型节理组位置不太固定，上端和下端节理组作为突破节理组的几率基本相等。

3 交叉节理岩体裂隙扩展非连续变形仿真模拟

非连续变形分析方法既具有有限元方法中严谨的数学、力学推导理论，又具有像离散元方法一样分析大位移、大变形的功能，是近几年广泛应用于岩体工程稳定性分析的数值分析方法[17-19]。为了与室内试验对比并进行验证，采用非连续变形分析方法DDARF对交叉节理岩体的裂隙扩展规律进行数值模拟。DDARF是在DDA的基础上由武汉岩土所焦玉勇和张秀丽提出来的，专门用于模拟岩体裂隙破坏的全过程，包括裂隙的萌生、扩展、贯通直至最终的破坏[20]。

DDARF在计算过程中必须满足3个运动学条件:(1)位移的完全一阶近似；(2)平衡方程和最小势能原理；(3)块体之间无嵌入无拉伸。DDARF在模拟岩体开裂过程前，首先将计算模型利用行波法分为若干三角形单元，单元之间的接触分为3种形式:角—角接触、角—边接触和边—边接触。其接触处通过法向弹簧和切向弹簧实现块体之间无嵌入无拉伸的运动学条件(如图6所示)。每个三角形单元的边界定义为虚拟节理，作为岩体进一步开裂的可能路径。当虚拟节理达到它的强度极限时(利用最大拉应力准则和摩尔—库伦准则对其强度进行判断)，虚拟节理则变为真实节理，节理的力学参数也相应地由虚拟节理的参数转变为真实节理的参数[20-22]。

图6 DDARF块体接触理论图

对类岩石试件裂隙扩展形态的DDARF数值模拟结果如图7、8所示。

由图7可知，对于单X型节理类岩石试件，当角度为30°＆45°时，30°节理的裂隙扩展程度要弱于45°节理，裂隙扩展以节理②为主；当角度为45°＆45°时，单X节理组中两条节理的裂隙扩展程度相似；当角度为45°＆60°时，60°节理的裂隙扩展程度要轻于45°节理，裂隙扩展以节理②为主。这与图4试验结果具有较高的吻合性，即2条节理角度相同时，其裂隙扩展规模较为同步；2条节理角度不同时，会以某条节理作为起裂节理，并主要沿该节理迅速扩展贯通。该数值模拟结果同时也表明，角度不同时，45°节理裂隙扩展程度更为剧烈。对于双X型节理类岩石试件，以①45°＆45°和 ②45°＆45°角度为例，裂隙扩展会以某组X型节理为主，如图8所示，裂隙扩展以节理组①为主，在岩体的裂隙扩展过程和能量释放过程中，该组X型节理起着主控作用，这也与图5试验结果相一致。

图7 单X型节理岩体破裂形态DDARF模拟结果图

图8 双X型节理岩体破裂形态DDARF模拟结果图

4 结论

通过上述研究可知:

(1)对于单X型节理岩体，当左右节理角度相同时，2条节理的裂隙扩展程度和规模基本相同；当左右节理角度不同时，会以其中一条为起裂节理，并沿着该节理迅速扩展贯通，成为能量释放的主要路径。

(2)对于双X型节理岩体，受到压缩作用后，某组X型节理会成为起裂的突破口，该组节理在裂隙扩展过程中起着主控作用，直到试件达到新的平衡或直至试件破坏。

(3)DDARF在模拟岩体裂隙扩展方面具有较高的精度，与试验结果基本一致，能够和室内试验共同作为研究手段，揭示交叉节理岩体的裂隙扩展规律。