考虑软弱夹层的含孔洞大理岩力学特性模拟分析

2021-03-18罗许林王国柱郝亚勋

硅酸盐通报 2021年2期

罗许林，王国柱，郝亚勋

(1.郑州工业应用技术学院建筑工程学院，郑州 451150；2.中国矿业大学,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221116)

0 引言

作为一种广泛存在的天然材料，岩石在不同地质构造、风化、水力等作用下会形成不同程度的缺陷，例如软弱夹层[1]、节理[2]、裂隙和孔洞[3-4]等，这些缺陷的存在使得岩体的各种力学特性发生一定的变化[5]。因此，开展含软弱夹层和孔洞等其他缺陷岩体的力学特性变化规律研究具有重要的意义。

针对仅含软弱夹层或仅含孔洞岩体的破坏模式和力学特性，国内外学者进行了大量的研究，并且取得了丰富的研究成果。Jeon等[6]利用模型试验及数值分析的方法研究了断层及软弱面对岩石隧道稳定性的影响。陈鑫等[7]对含不同厚度软弱夹层的水泥土进行了单轴压缩试验和数值模拟研究，并建立了含软弱夹层水泥土在单轴压缩作用下的损伤本构模型。Zuo等[8]采用MTS815试验机对含弱煤夹层的岩-煤-岩组合体进行了不同围压下的轴向加载作用，研究表明，软弱煤夹层改变了岩-煤-岩组合体整体破坏形式，降低了煤岩组合体整体稳定性。蒲成志等[9]利用微机控制岩石剪切试验机，对含薄软弱夹层结构面板岩试样进行了不同法向应力下的直剪试验，结果表明，在剪切荷载作用下，只有部分结构面有抗剪作用。汤友生等[10]对含不同倾角软弱夹层的岩样在单轴作用下的单轴抗压强度和波速进行了研究，得出了软弱夹层对单轴抗压强度和波速都有一定弱化影响的结论。许旭堂等[11]在循环加载作用下研究了含软弱夹层岩体的声学特性，提出了以Logistic 方程的逆函数形式表述的含软弱夹层岩体的疲劳累积损伤演化方程。

在单轴压缩作用下，含圆形孔洞的岩石试样大致有三种破坏模式：拉应力集中的初始开裂、岩石基体内部的二次断裂和压缩荷载集中区域的侧壁开裂[12-13]。Hoek和Brown[14]使用光弹性薄膜证明了圆形开口周围存在远场张力区。Zhao等[15]利用物理模型和声发射技术研究了岩石中圆形孔洞周围的裂纹发育情况，结果表明，拉压应力在岩石孔洞周围的裂隙演化过程中起主要作用。苏海健等[16-17]对单轴压缩作用下含双孔洞砂岩进行了研究。张闯等[18]对孔洞数和孔径对大理岩力学特性的影响进行了实验研究，研究结果表明，孔洞数量和孔径的增加减小了试样的弹性模量和峰值强度。左江江[19]和周亚楠[20]等研究了充填物对孔洞岩体力学特性的影响，研究表明，充填物本身的力学特性对孔洞岩体的起裂应力、峰值荷载和弹性模量有不同程度的加强作用。李地元[21-22]和李夕兵[23]等对动态作用下含孔洞岩体的力学特性进行了试验研究。谢林茂等[24]利用数值模拟软件RFPA3D-Parallel对含孔洞岩石试样在单轴、双轴和三轴作用下的破裂过程进了模拟研究。黎崇金等[25]利用颗粒流程序PFC2D对含孔洞大理岩在单轴和双轴作用下的破坏过程进行了模拟研究，分析了孔洞形状、围压等条件对试样力学特性的影响。段进超等[26]运用RFPA2D对脆性多孔材料的空洞尺寸效应进行了研究。梁利喜[27]和张丹丹[28]等利用数值模拟的手段对含孔洞材料的声学特性进行了研究。上述研究有的仅仅研究了软弱夹层对岩体的影响，有的仅仅研究了孔洞对岩体的影响。同时研究软弱夹层和孔洞对岩体力学特性的影响目前尚未见报道。在实际工程中岩体往往会同时存在不同形式的缺陷，研究多种缺陷组合对岩体特性的影响是非常有必要的。

鉴于此，本文根据前人的相关研究，制作了大理岩标准试样，通过物理实验测定大理岩的物理力学参数，作为数值模型参数取值的依据。建立了中心含孔洞、孔洞下方含不同厚度软弱夹层的数值模型，得到了软弱夹层厚度、强度等参数对含孔洞带软弱夹层大理岩试样力学特性的影响规律。

1 基本力学参数实验

为了使得数值模拟更加合理，制备了大理岩标准圆柱试样(直径50 mm、高度100 mm)、巴西圆盘试样(直径50 mm、高度25 mm)。采用MTS815电液伺服刚性试验机对大理岩试样进行单轴和三轴压缩试验，并进行巴西劈裂试验，得到大理岩试样的基本力学参数如表1所示。

表1 大理岩物理力学参数

2 数值模型建立及验证

图1 数值模型

数值模型采用几何尺寸为50 mm×100 mm的长方形试样，圆形孔洞在试样的中心，直径d为12 mm，软弱夹层中心点到孔洞圆心的距离L为28 mm，软弱夹层厚度l分别为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm和20 mm，如图1所示。整个模型划分网格为100×200，共2万个单元，试样底部固定，采用每步0.002 mm的位移加载方式。大理岩的弹性模量为41.2 GPa，单轴抗压强度为135.62 MPa，泊松比为0.3，抗拉强度为10.75 MPa。在进行RFPA2D模拟时，假定试样细观单元的力学参数服从Weibull分布[29]，均值度系数为3时，弹性模量均值为50.85 GPa，单轴抗压强度均值为543.08 MPa，泊松比为0.3，压拉比为15。软弱夹层的强度为大理岩强度的20%、40%、60%和80%。

为了验证数值模型的正确性和有效性，本文进行单轴压缩作用下完整试样破坏模式和应力-应变曲线模拟，并和前人所做含单一孔洞大理岩试样单轴压缩作用下的破坏模式和应力-应变曲线进行了对比验证[19]。当大理岩按上述参数进行赋值时，数值模型得到的抗压强度和破坏模式与试验结果基本一致，从而验证了数值模型的正确性和有效性，试验结果和数值模拟结果对比如图2和图3所示。

图2 完整岩样试验结果和模拟结果对比

图3 含孔洞岩样试验结果和模拟结果对比[19]

3 模拟结果分析

3.1 软弱夹层厚度对模拟结果的影响

单轴压缩条件下，不同厚度(0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm)软弱夹层(夹层强度为大理岩强度的40%)的含孔洞大理岩的破坏模式和应力-应变曲线分别如图4和图5所示。由图4(a)和(b)可以看出，软弱夹层的存在明显改变了试样的破坏模式，当不存在软弱夹层时，试样有两条贯通裂隙，当存在软弱夹层时，试样的破坏倾向一条劈裂破坏裂隙。由图4(b)～(e)可以看出，随着软弱夹层厚度的增加，试样的破坏区域越来越小，并且软弱夹层下部大理岩的破坏区域明显减少，至软弱夹层厚度增加到15 mm时，软弱夹层下部大理岩几乎没遭到破坏。产生这种破坏模式的原因主要是软弱夹层强度比较低，弹性比较好，在外力的作用下，变形能力比较强，阻止了荷载向下传递。值得注意的是，不管软弱夹层厚度多大，圆形孔洞的上部和下部都是破裂最严重的位置。由图5可以看出，随着软弱夹层厚度的增加，试样的峰值应力在下降，但是峰值对应的应变却在增加。由图4和图5可知，软弱夹层的存在削弱了试样的整体强度，但是减小了试样的破坏区域，增大了试样峰值强度对应的应变。

图4 不同厚度软弱夹层试样的破坏模式

图5 不同厚度软弱夹层试样的应力-应变曲线

3.2 软弱夹层强度对模拟结果的影响

单轴压缩条件下，不同强度(大理岩强度的20%、40%、60%、80%、100%)软弱夹层(夹层厚度为10 mm)的含孔洞大理岩的破坏模式和应力-应变曲线分别如图6和图7所示。由图6可以看出，随着软弱夹层强度的增加，试样的破坏区域越来越大，当软弱夹层强度为大理岩强度的20%时，软弱夹层下部的大理岩基本上没有破坏，只在软弱夹层上部产生了破坏，破裂从孔洞的上下部向两边扩展(图6(a))。当软弱夹层强度不断增加时，软弱夹层下部的大理岩破坏越来越严重。当软弱夹层强度为大理岩强度的60%时，试样达到贯通破坏模式。从图7可以看出，随着软弱夹层强度的增加，试样的峰值应力也相应的增加，但是试样峰值应力对应的应变却在减小。软弱夹层具有吸能作用，通过增大应变来吸收外部作用力所做的功。