裂纹扩展对危岩失稳模式变化的影响分析

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

危岩是交通工程建设、运营过程中常遇到的地质灾害之一，具有发育期长、突发性强、危害性大的特点。交通沿线危岩崩塌常常会危及行人、过往车辆等安全，甚至造成严重的人员伤亡、巨大的经济损失。危岩失稳模式主要受岩体内结构面的影响，结构面的发育本质是裂纹的扩展，本文从裂纹扩展角度探究了危岩失稳发展模式。

一、国内外研究现状

中国地质大学（北京）工程技术学院袁小平等在Drucker-Prager准则的基础上，针对存在节理的岩石中小范围屈服翼裂纹尖端塑性区，推导出基于该准则下的纯Ⅰ、纯Ⅱ及Ⅰ、Ⅱ复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数；赣州有色冶金研究所谢世勇等对动静组合荷载下的岩石破碎过程进行分析得出，一定范围内改变静压力和冲击力可以提高岩石的破碎效率；青岛理工大学土木工程学院王国艳等采用岩石破裂过程的RFPT数值分析系统，模拟了单轴压缩作用下不同裂隙倾角的单裂隙试件破坏过程；中南大学资源与安全工程学院刘涛影等探讨了高渗透作用下压剪岩石的起裂规律和分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律，推导出高渗透压下岩体在发生拉剪破坏时的临界水压力数值，以及初起裂强度的判据；东北大学资源与土木工程学院丁梧秀等用不同化学溶液对岩石事件进行浸泡溶蚀，得出在溶液的侵蚀作用下，岩石强度显著下降，岩石结构产生损伤。在前人的努力下，断裂损伤力学已运用到岩石的各个方面。中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所谢和平总结了岩石强度理论研究中断裂力学与损伤力学的运用进展。

本文在断裂损伤力学理论的基础上，从裂纹发展的角度揭示了滑塌式危岩和倾倒式危岩两类危岩形成的机制，讨论了危岩后缘张拉裂隙扩展及软弱基座中裂纹的扩展对危岩失稳模式的影响，并给出了工程治理措施。

二、岩体中的裂纹

过去对岩体强度的研究，假定岩体材料是连续的，不存在任何的缺陷或者裂纹，这种假设下，用现有的应力强度理论和破坏准则很难对岩体复杂的强度变化和整体破坏现象作出解释。

随着断裂与损伤力学等一系列学科的兴起，众多学者将这些新兴学科应用到岩体中，岩体的强度理论由过去的经典强度理论发展到将断裂学、损伤学应用于其中的理论，并不断完善。岩石同大多数材料一样，存在三种裂纹：Ⅰ型裂纹（拉张）、Ⅱ型裂纹（错动剪切）、Ⅲ型裂纹（垂直应力面撕裂型）。其中，Ⅰ型裂纹的裂纹面垂直于所受力的方向，Ⅱ型裂纹为剪应力作用下滑移形成的裂纹，Ⅲ型裂纹是在拉应力作用下向内外方向撕裂的裂纹。

三种裂纹扩展的判据分别为三种裂纹的强度因子与岩石的断裂韧度相等，即

式中：i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，Ki为裂纹的应力强度因子，Kic为岩石的断裂韧度。

三、裂隙的扩展对危岩失稳模式的影响

本文以三峡航道某危岩为例，分析了裂纹扩展对同类型危岩失稳模式变化的影响。

该危岩上部为坚硬的泥质灰岩，强度高。基座部分为强风化泥质灰岩，强度相对较低。基座位置的基岩在上部荷载、水与温度等共同作用下出现了劈裂状裂缝。裂缝加速了基岩的风化速度，逐渐在软弱基岩地方形成了岩腔。危岩后缘边界由于拉应力形成了拉张裂隙，岩石后部因发育多组裂缝且多组裂缝相互切割而独立。基座部分在三峡库区冬季蓄水时浸泡在水中，夏季水位下降时露出水面，处于干湿循环环境。

危岩后缘的裂隙扩展的速度由岩石自重及裂隙水压控制；下部基岩裂纹扩展速度受上部岩石自重压力和库水反复浸泡作用的控制，下部基岩裂纹扩展决定了岩腔的风化速度。

对于后缘存在张拉裂隙、基座存在软弱岩层的危岩来说，后缘张拉裂隙与基座软岩中裂隙的扩展速度影响着危岩的失稳模式。

图1  危岩

图2  滑塌式危岩

图3  倾倒式危岩

当后缘拉张裂隙裂纹扩展速度大于基座软岩中裂纹的扩展时，后缘裂纹先于基座裂纹贯通，危岩后缘形成贯通的裂隙面时，危岩沿裂隙面滑动失稳破坏，便形成滑塌式危岩，如图2所示，裂隙扩展。这时，后缘裂隙成为危岩失稳的主控结构面。

反之，危岩基座软岩裂纹扩展速度先于后缘裂纹扩展时，基座软岩逐渐被侵蚀，岩腔逐渐扩大后移，直至危岩重心接近临空或临空后，危岩自重加速后缘裂隙发展，最终危岩发生倾倒破坏，形成倾倒式危岩，如图3所示，岩腔后退。这时，基座软岩成为控制危岩失稳的关键。

对于类似危岩类型，可采取“锚拉+封闭岩腔+封闭后缘张拉裂缝”的方法治理。

1.锚杆固定：在危岩上施工锚杆，锚杆穿过危岩后缘裂隙面，固定在后缘稳定基岩上。

2.封闭岩腔：岩腔扩展较小时，采用混凝土填满岩腔进行封闭，一方面防止岩腔进一步风化，另一方面为危岩提供支撑力。岩腔扩展较大时，在岩腔中按规范计算设计混凝土柱，支撑危岩，可采用膨胀混凝土。

3.封闭后缘张拉裂隙：采用混凝土灌填封闭危岩后缘张拉裂缝，防止雨水渗入，引起裂隙水压，降低危岩的稳定性。

四、结语

本文根据后缘存在裂隙面、基座存在软弱岩层类型的危岩分析，基于其裂缝及裂纹扩展速度的差异，揭示了滑塌式危岩和倾倒式危岩产生的机制，得出滑塌式危岩中后缘裂隙为危岩失稳的主控结构面；倾倒式危岩中基座软岩为控制危岩失稳关键的结论。对于类似的危岩，本文提出可以采用“锚拉+封闭岩腔+封闭后缘张拉裂缝”的措施治理。