复杂裂隙岩体力学损伤特性与破坏机理分析

张小莉，卢仲鑫，薛晓卫，杨红成，辛顺超，滕振华

(1. 深圳市盛业地下工程有限公司 深圳市 518026； 2.中铁七局集团郑州工程有限公司 郑州市 450052；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆市 400067)

在边坡、隧道及地下工程中，复杂裂隙和复杂节理岩体的空间分布方式、界面接触状态对岩质边坡、隧道工程的力学损伤、破坏机理、变形特征有直接影响[1-2]。目前，针对岩体力学行为研究主要是基于连续介质和离散介质两种力学方法进行分析，前者形成的节理模型大多应用于裂隙发育、宏观节理较多的岩质边坡等工程的小变形问题，后者则是针对裂隙和节理切割成块状后岩块在较强荷载下的破损、开裂、垮塌等[3-4]。然而，由于工程实践中，岩体裂隙复杂多样，力学特性相当复杂。因此，针对节理倾角、节理数量、贯通特性等特点进行力学损伤特性分析以及对其破坏机理进行分析，对提高边坡、隧道及地下工程的设计科学准确性和提高岩体施工的安全可靠性具有重要意义。

1 试验方案

1.1 力学损伤试验方案

不同倾角、长度、数量以及节理之间夹杂的物质不同，物理力学性能差异很大[5]。根据国际岩石力学学会常规做法，采用Φ50×150的试件，预设5组不同倾角、4组不同节理数量、5组不同节理贯通程度以及4组不同软弱填充夹层厚度进行试验，每组制备4个试件。试验方案及方案代号，见图1和表1～表4。其中，“QJ”表示“倾角”，“JLS”表示“节理数”，“GT”表示“贯通”，“JC”表示“夹层”。

表4 不同夹层厚度试验方案

图1 力学损伤试验方案示意图

表1 不同节理倾角试验方案

表2 不同节理数量试验方案

1.2 试件制备与测试方法

为准确模拟各种裂隙条件对试件受力特征的影响，采用物理力学性质和天然岩石接近的混凝土配比配置用于力学损伤室内试验的试件[6]。测试设备采用微机伺服多功能压力试验机，其最大加载力为200kN，此次试验采用位移控制法，速率为4mm/min，测试试件及设备如图2所示。

表3 不同节理贯通程度试验方案

图2 力学损伤试验试件与设备

2 力学损伤试验

2.1 不同节理倾角

表5、图3和图4为不同节理倾角应力应变曲线和弹性模量测试结果。倾角为0°和90°的试件单轴峰值抗压强度分别为24.1MPa和26.9MPa，与完整试件接近，但峰值过后脆性特性体现出来，试件瞬间破坏。30°～60°倾角时的单轴抗压强度降低有一个过程，具有较强的塑性破坏特点。弹性模量显示，0°倾角和完整试件的弹性模量最大，分别为3.98GPa和4.05GPa，其次90°倾角为2.88GPa。倾角为60°的峰值强度和弹性模量均最小。

表5 不同节理倾角力学试验结果

图3 不同节理倾角应力-应变曲线

图4 不同节理倾角试件峰值强度与弹性模量结果

2.2 不同节理数量

不同节理数量试验方案采用45°倾角，节理间隔为25mm。由图5、图6可知，随着节理数量的增加，无论是单轴峰值抗压强度还是弹性模量均呈下降趋势。其中，无节理试件的单轴峰值抗压强度为23.13MPa。由于室内模拟试件通过均匀混凝土制备，因此和天然石块相比，测试结果具有一定差异，但是更能准确地表征不同节理数量下的力学性能变化规律。由图6可知，完整岩体的弹性模量为1.76GPa，节理条数越多，弹性模量越小，预设节理数量为3条时，弹性模量为0.45GPa，比无节理状态降低了1.31GPa，约74.4个百分点。而节理对峰值抗压强度的影响则十分明显，1条节理抗压强度仅为8.56MPa，为完整岩体强度的37%。节理数量从1条增加到3条时，弹性模量降低了65%，峰值抗压强度降低了30.7%。由此可知，节理从无到有，会对抗压强度带来极其不利影响，节理数量越多，力学性能越差。

表6 不同节理数量力学试验结果

图5 不同节理数量应力-应变曲线

图6 不同节理数量试件峰值强度与弹性模量结果

2.3 不同节理贯通度

试验方案预设5种节理贯通度，由图7可知，随着贯通度从0增至全部贯通，试件峰值强度逐渐降低，相同应变下的强度也随之降低。任何贯通度均会引起试件弹性模量降低，贯通度对峰值抗压强度影响较为明显[7]。完整岩体的峰值抗压强度为23.13MPa，贯通1/3时为18.4MPa，完全贯通时的强度为8.56MPa。然而，贯通度从1/3增至完全贯通时，弹性模量在1.29～1.39GPa之间，基本相等，变化幅度极小。因此，贯通度对岩体弹性变形影响较小，对塑性变形影响较大，见图8。

表7 不同节理贯通度力学试验结果

图7 不同节理贯通度应力-应变曲线

图8 不同节理贯通度试件峰值强度与弹性模量结果

2.4 不同夹层厚度

通过分别预设0mm、1mm、3mm、5mm夹层厚度，节理倾角为45°对不同夹层厚度的影响进行研究。由图9、图10可知，夹层厚度越大，应力-应变曲线中的峰值抗压强度越低，夹层厚度为1mm的峰值抗压强度为16.93MPa，3mm的强度为9.99MPa，5mm的强度为7.22MPa。厚度1mm夹层相对于完整岩体的强度降低了26.8%，厚度3mm降低了56.8%，厚度5mm降低了68.8%。夹层厚度越大，试件弹性模量越小，夹层厚度为1mm时，弹性模量为1.19GPa，相对于完整岩体的1.76GPa降低了32.4%，厚度为3mm时降低了65.34%，厚度为5mm时降低了77.8%。因此，岩体裂隙越大，裂隙之间的夹层若强度较低，其厚度越大，岩体力学性能越差。

表8 不同夹层厚度力学试验结果

图9 不同夹层厚度应力-应变曲线

图10 不同夹层厚度试件峰值强度与弹性模量结果

3 破坏机理分析

3.1 试件破坏模式

测试过程中，试件主要破坏规律为张拉破坏和剪切破坏，无节理试件基本沿着与主应力平行的方向破坏[8]。倾角为0°时，最大主应力方向和节理面垂直，由于加载界面的约束和节理面对力学效应的分散作用，上下两层分别以张拉破坏为主。倾角为30°～60°时，受到压缩和剪切同时作用。倾角越大，剪切效应越明显。2条以上节理的试件，则最上侧节理面最先发生破坏，下半部分出现与主应力平行的裂纹。完整试件破坏方式为张拉破坏，破坏面和主应力方向平行，贯通1/3、1/2、2/3的试件，以节理延伸线为界限，界限上侧主要是剪切破坏，贯通度为1/3的试件，局部出现张拉破坏迹象，界限下侧之主要为张拉破坏，而节理的夹层厚度对模式影响相对较小，代表性破坏模式如图11所示。

图11 代表性破坏模式图

3.2 节理上的受力机理

根据弹塑性力学理论，由图12可知，裂隙试件单轴试验中，σn为垂直于节理裂的正应力，τn为剪应力，节理倾角为0°时，节理面上的剪应力τn对剪切效应可以忽略，该力学状态可视为纯压，其破坏形式主要是张拉破坏。角度为90°时，剪应力τn对的驱动力实际由σ完全提供，该力学状态可视为纯剪。然而，节理倾角0

图12 节理面受力分析示意图

τs=τn-μσn

因此，节理倾角0

3.3 裂隙扩展与屈服破坏机制

根据试验规律，结合现有研究成果，由图13可知，O～A段主要是节理压缩密实，A～B段节理发生可恢复的弹性变形，B～C段节理开始相对稳定的发展，裂隙逐渐延伸，该阶段的应力大约为0.4～0.6倍峰值抗压强度σf，随着压力逐渐增大，应变增幅逐渐变大，节理裂隙出现不稳定发展，应力增加至0.9σf后，应力增幅放缓，应变继续增大，最后达到最大峰值应力σf后进入瞬时屈服破坏阶段，即到达图中E点，该点也是台阶式屈服破坏的起点。在E～F阶段，由于损伤界面的摩擦效应、弹塑性变形等因素影响，加载过程中，出现积攒能量和集中释放的规律。因此应力应变呈台阶式发展，最终到达试件破坏失效点F。

图13 节理岩体破坏机制示意图

4 结论

以力学损伤理论为基础，以室内试验为支撑，通过预设不同节理倾角、数量、贯通度的试件模型，测试其应力-应变和弹性模量等力学特性，并对破坏模式、节理面受力特征、裂隙扩展机制等进行分析。结果表明：0°节理主要张拉破坏，90°主要是剪切破坏，其余为压-剪破坏，节理倾角越小，剪切压杆效应越明显，张拉破坏影响越大；节理数量越多，贯通度越大，夹层厚度越大，力学性能越差。裂隙岩体受力过程中，裂隙扩展主要为节理压密-弹性变形-裂隙稳定发展(塑性)-不稳定发展-破坏的过程。岩体破坏过程中会存在能量积累和集中释放现象。