单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究*

熊绍真 史文兵 王小明

(①贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025，中国)

(②贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳 550025，中国)

0 引 言

岩溶化裂隙岩体是地质构造的产物(陈庆发等，2019)，完整岩石被各种节理面、断层等结构面交错切割，从而形成具有初始损伤的裂隙岩体(唐红梅等，2016；刘学伟等，2018)。由于结构面在岩石基元内部的分布规律复杂，直接导致了裂隙岩体力学行为、损伤演化特征以及破坏机制的复杂性(袁小清等，2015)。因此，裂隙岩体的宏观岩体力学特征和破坏机理因内部裂隙的空间分布、密度以及尺寸的随机分布而变得复杂，再加上天然作用下的溶蚀损伤作用，使得裂隙岩体的细观损伤演化特征存在巨大差异(张社荣等，2017)。因此，岩溶化裂隙岩体的物理力学性质研究具有重要的实践意义，不仅能为工程建设提供准确可靠的参数，还能为岩溶崩滑灾害的评价与预防提供更加合理的依据，修正现有的稳定性评价模型。

受溶蚀以及存在裂隙的岩体往往有不良的力学性质，其损伤破坏过程也会发生变化，岩溶化裂隙岩体也成为国内外研究者的热点，尤其是采用力学试验方法和数值模拟方法的学者很多。张社荣等(2012)基于岩体溶蚀损伤演化机制的前人研究成果，将孔隙型岩溶的结构分为虫洞型和蜂窝型，并采用离散元数值方法，展开对孔隙型溶蚀岩体的力学特性研究，得出溶蚀结构特征对力学影响的关系，再建立岩溶随机场，评价了建坝的适应性。周欣竹等(2016)通过室内物理模拟试验，研究了不同配比的混凝土在溶蚀作用下的力学性能的时效性，得出不同配比混凝土的力学性能均随溶蚀率的增加而减弱的规律。马庆松(2009)，王桂林等(2019)从节理岩体能量演化的规律出发，建立了裂隙岩体损伤演化强度准则，研究了裂隙岩体的集合损伤以及损伤演化过程，分析了非贯通节理岩体在单轴压缩条件下的损伤破坏能量的演化机制。汪杰等(2018)运用损伤力学理论，验证了耦合作用下损伤强度准则的合理性，同时，在此基础上，推导了含有初始损伤的节理岩体损伤演化方程，揭示了含有初始损伤的节理岩体的损伤演化规律。赵海军等(2019)利用离散元方法建立模型研究了裂隙的发展规律。Cao et al.(2019)，Liu et al.(2016)，Mohammadi et al.(2019)分别从声发射累计损伤量建立损伤本构模型、推导节理岩体动力损伤本构模型以及运用嵌入式不连续等方法，计算岩石的损伤变量以及裂隙岩体在荷载作用下的新裂隙形成和拓展过程，进而揭示了节理岩体的损伤破坏机理。

现有成果主要集中于对溶蚀岩体或者裂隙岩体损伤的单独研究，而对于既有溶蚀作用也存在裂隙的岩体研究不多(Unteregger et al.，2015；邓正定等，2019；赵东雷等，2019)。而我国西南地区，广泛发育含初始损伤的溶蚀裂隙岩体，其力学性质和破坏特征不同于一般的裂隙岩体，很有必要对该类岩体进行专门研究。就裂隙岩体研究而言，现有研究主要集中于单轴压缩试验条件下完整岩石力学特征研究(姚囝等，2018；韩振华等，2019)。利用能量理论及应变等价理论来看岩体损伤破坏特征，一般都认为初始损伤为零。但是对于相对完整的岩石而言，由于天然裂隙的存在，裂隙岩体实际上是具有初始损伤的材料，对其进行损伤演化规律研究时需考虑初始损伤。若忽略初始损伤的影响，所得到的裂隙岩体损伤演化规律存在一定的偏差(赵程等，2018；赵建军等，2018；Yang et al.，2019)。因此，本文以贵州地区的灰岩作为研究对象考虑裂隙岩体的初始损伤，构建单轴压缩条件下含有初始损伤的裂隙岩体的损伤演化模型，再运用数值试验对裂隙岩体损伤演化特征进行深入分析，建立了单轴压缩条件下含有初始损伤的裂隙岩体的损伤弹性本构方程，揭示岩溶化裂隙岩体的损伤演化规律。

1 裂隙岩体细观模型构建

1.1 平行黏结模型

平行黏结模型(Potyondy，2011)有线性键和平行健的存在，平行健的存在为颗粒之间提供了模拟岩石材料的力学行为的可能，在接触位置，平行健和线性键同时发挥作用。平行健可以看作是一组具有恒定法向刚度和切向刚度的弹簧，均匀地分布在颗粒之间的接触面上，平行健和线性键的弹簧属性平行作用。接触键创建之后，当接触点发生相对运动时，接触中产生了力和力矩，力和力矩反作用在相互接触的颗粒上，力与力矩的大小与键的参数和作用于键的最大法向应力和剪应力有关，如果这两种力超过了所对应的键的强度，则平行健断裂，并将接触键中伴随的力、力矩和刚度移除。

平行黏结模型中并存两个组件的力学行为，第1组件为线性模型组件，在颗粒间的接触界面上，带有线性弹性和摩擦界面，能够携带一个力和一个有限的位移，在线性弹性和黏结面上带有力和力矩(图1)。线性模型能够发生相对旋转，而产生滑移的条件是施加的剪力超过其极限。第2组件是黏结模型，它与第1组件平行发挥作用，当第2组件黏结时，它能够抵抗相对旋转，其行为是线弹性的，直到超过其强度极限，黏结断裂，第2组件失效，平行黏结模型退化为只有第1组件作用的线性模型。

PFC不能直接赋予材料宏观力学参数，必须通过不断调整颗粒间的细观接触参数去匹配反映材料的宏观力学特性。当施加应力超过材料黏结强度时，黏结发生断裂，其法向和切向对应的黏结断裂部位分别产生拉裂纹和剪裂纹。

1.2 光滑节理模型

光滑节理模型(Mehranpour et al.，2017)通过分配节理两侧一定范围内的接触特性来模拟具有剪胀、摩擦或有黏结节理的力学特性。光滑节理模型中，无论接触界面是黏结界面还是膨胀界面，其力学行为都是线弹性的(图2)，直到超过其强度极限，黏结断裂，光滑节理模型退化为只具有线性弹性和摩擦特性的线性模型。

光滑节理模型可简化为一个弹簧均匀地分布在一个颗粒之间的接触面上。在接触面上有：

(1)

(2)

式中：δn和δs分别为法向和切向位移；Fn和Fs分别为法向和切向接触力。通过迭代计算，得到新的接触力分量：

(3)

(4)

对于具有黏结特性的节理而言，如果接触上法向应力小于其抗拉强度，则节理不会发生拉伸破坏，否则节理黏结断裂，产生拉裂纹。当分配到接触上的切向应力超过其抗剪强度之后，则黏结断裂，产生剪裂纹。

2 细观参数匹配

2.1 灰岩细观参数的确定

本文的岩溶化裂隙岩体的研究是以贵州地区的灰岩作为研究对象，旨在从岩溶化裂隙岩体损伤演化的角度，分析岩溶化裂隙岩体的起裂和变形破坏机制。以裂隙灰岩的室内单轴压缩试验所获得力学参数作为基础参数，统计出贵州某地区的随机裂隙，通过直剪试验获取其参数，作为岩溶化裂隙岩体的裂隙参数。再采用平行黏结模型和光滑节理模型重构岩溶化裂隙岩体模型，同时进行参数标定即通过数值单轴压缩试验和结构面直剪试验匹配出与宏观参数相应的细观参数(石崇等，2018)。

为了获取灰岩单轴压缩力学参数，在实验室对灰岩块体进行取芯，剔除结构面比较发育和具有明显瑕疵的试样，并打磨成50mm×100imm的标准灰岩试样。

单轴压缩试验采用应力控制，控制速率为0.5～1iMPa之间，得到灰岩试样试验结果(图3)。从图中可以看出，灰岩具有较高的抗压强度，且压密阶段较长，最终灰岩破坏形式呈现出脆性拉破坏(图4)。

灰岩单轴压缩试验结果表明：灰岩试样的抗压强度、弹性模量和泊松比分别为171.06iMPa、21.55GPa和0.19，后面的灰岩试样的细观参数标定需要用到这些宏观力学试验参数。

在充分考虑裂隙岩体的尺寸效应后，确定了数值模拟试验的试样为直径2im，高径比为2的圆柱体试样(2D)，用于模拟灰岩(图5)。颗粒粒径为1～1.66icm，颗粒数量为12392个，颗粒之间采用平行黏结接触模型，选用墙体作为试样的加载板，设置墙体与颗粒之间的接触模型为线性接触模型，且设置摩擦系数为0。

数值模型顶部和底部加载速率都是0.05im·s-1，期间需要对应力、轴向应变以及泊松比的变化情况进行监测，再捕捉最大抗压强度，并在1/2UCS±1iMPa区间内取值计算试样的弹性模量，最后匹配灰岩试样室内单轴压缩试验结果，模拟结果见图6。灰岩数值模拟试验得到的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比分别为168.06iMPa、21.60GPa和0.19，对比灰岩数值模型试验和室内试验两者结果，力学参数以及破坏方式具有高度的相似性，说明数值试验得到的灰岩细观参数(表1)具有很好的代表性，可以描述灰岩的力学行为。

表1 灰岩细观参数Table 1 Limestone mesoscopic parameters

2.2 结构面细观参数的确定

结构面直剪试验结果表明：试样结构面的黏聚力c为0.766iMPa，内摩擦角φ为39°，且表现出典型的结构面剪切破坏特征(图7)。以上结构面数据作为结构面细观参数标定的依据。

数值试验采用2im×2im的试样用于模拟结构面直剪试验(图8)，颗粒粒径为1～1.66icm，颗粒的数量为12392个，在试样中间预制一条贯穿的裂隙，颗粒与剪切盒之间采用线性模型接触，且摩擦系数为0。

光滑节理模型参数进行标定时，采用与灰岩试样同样的标定方法，直到获取与室内结构面直剪试验较为接近的参数为止。试验时先对试样施加竖向正应力，然后对上剪切盒以恒定0.05im·s-1的速度进行剪切，模拟剪切试验，得到不同正应力条件下的峰值剪切强度，并拟合结构面包络线(图9)。从图中可以看出模拟得到的结构面黏聚力为0.416iMPa，内摩擦角为41.5°，模拟试验结果与室内试验结果较为接近，说明模拟试验得到的细观结构面参数(表2)具有很好的代表性，能够准确描述结构面的力学行为。

表2 灰岩结构面细观参数Table 2 Mesoscopic parameters of limestone structural plane

3 岩溶化裂隙岩体损伤演化方程

3.1 岩溶化裂隙岩体初始损伤

溶蚀以及节理面的存在导致岩体力学性质劣化，强度减弱、弹性模量降低，就完整岩石而言，岩溶化裂隙岩体含初始损伤。定义初始损伤为：

(5)

式中：Eδ是岩溶化裂隙岩体的弹性模量；E0代表完整岩石的弹性模量；δ代表不同的溶蚀率。

在岩体受荷载损伤的研究中，统计学角度的研究可以很好地解释岩体内部在外荷载作用下产生的各种随机分布的细观损伤。基于岩体应变等价和岩体微元的随机性，结合威布尔分布建立了损伤概率模型(张慧梅等，2017)，得出概率密度函数为：

(6)

式中：ε为岩体单轴压缩下的应变量；m、ε0为分布参数。

加载过程中岩体应变达到ε时，其受荷载损伤变量函数为：

(7)

基于等效应变原理(张世文，2009), 推导出荷载作用下完整岩体的损伤的本构方程式：

σ=(1-Ds)E0ε1

(8)

式中：Ds代表岩体受荷载损伤变量。

岩溶化裂隙岩体具有初始损伤，对其进行压缩加载，得到损伤本构模型为(张慧梅等，2011)：

σ=(1-Ds)Eδε1

(9)

联合式(5)和式(9)得到具有初始损伤和荷载损伤耦合状态下的岩溶化裂隙岩体本构关系：

σ=(1-Ds)(1-Dδ)E0ε1

(10)

由式(10)即可得到耦合状态下岩溶化裂隙岩体总损伤变量为：

D=Dδ-Ds-DδDs

(11)

将式(5)和式(7)代入式(11)可得损伤演化方程：

(12)

式(12)即为裂隙岩体在压缩条件下的总损伤演化方程。

由式(12)可知，对于完整岩石而言，Eδ=E0即Dδ=0，得到D=Dδ；而对于具有初始损伤的岩溶化裂隙岩体试样，初始时ε=0，从而D=Dδ。

3.2 岩溶化裂隙岩体的损伤本构模型

将式(10)和式(11)联立，得到岩溶化裂隙岩体单轴压缩条件下的损伤本构模型为：

σ=E0(1-D)ε1

(13)

假定受压试件服从岩石应变强度理论(Guo et al.，2017)，将式(12)代入式(13)，得到岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤本构模型为：

(14)

根据前人研究成果，需要满足岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的全应力-应变曲线在峰值处的条件(汪杰等，2019)，经处理得到下式：

(15)

(16)

式中：σf和εf为岩溶化裂隙岩体试件全应力-应变曲线的峰值应力和应变值。

分别将式(15)和式(16)代入式(12)和式(14)，即可得到岩溶化裂隙岩体的损伤演化模型和损伤本构方程。

4 岩溶化裂隙岩体损伤特征分析

4.1 岩溶化裂隙岩体模型建立

定义溶蚀率为溶蚀面积与完整灰岩试样面积之比，采用元胞自动机方法建立溶蚀率从0～25%的灰岩试样孔隙型溶蚀模型(图10)，开展与标定试验同样工况的单轴压缩试验，获取不同溶蚀率情况下的岩溶灰岩的物理力学参数。

在研究区，岩溶是一种初始损伤，很大程度劣化灰岩试样的力学性质；裂隙也是一种初始损伤，也是灰岩力学参数劣化的重要因素。首先统计研究区的裂隙分布，再获取裂隙的分布规律，然后根据分布建立裂隙模型。研究区裂隙主要包括层理和两组节理，而本文是进行岩溶化裂隙岩体二维模型的研究，故舍弃平行于本统计剖面的一组节理，只针对层理和一组节理进行分布统计，统计结果如图11所示。

假设计算得到裂隙单位长度裂隙数量节理(P10)为7，层理(P10)为6，根据裂隙的P10特征，在充分考虑岩体尺寸效应后，建立上述的表征单元体(REV)灰岩试样。其中层理迹长为贯穿岩体的全迹长，产状为215°∠12°，故层理只统计间距分布，基于统计结果建立岩溶化裂隙灰岩模型(图12)。

4.2 岩溶化裂隙岩体损伤演化特征分析

开展对上述所建立模型的单轴压缩数值试验，得到岩溶化裂隙岩体的物理力学参数如表3所示。在溶蚀率较大的情况下，灰岩试样发生了结构破坏，内部受力骨架破坏，横向变形不明显。将表3结果代入式(5)得到不同溶蚀率下初始损伤度的变化规律(图13)。从图中可以明显看出，随着溶蚀率的增加，灰岩试样的初始损伤度随之增加，溶蚀灰岩较溶蚀裂隙灰岩的初始损伤度在溶蚀率15%以前增加速度快，而后和溶蚀裂隙灰岩一致，增加速度区域平缓。对于灰岩试样来说，裂隙的存在，直接导致灰岩试样具备0.8的初始损伤度，而在溶蚀率达到25%时，损伤度接近1，试样接近破坏，故初始损伤的存在会进一步劣化岩块的力学性能。

表3 岩溶化裂隙岩体力学参数统计表Table 3 Statistical table of mechanical parameters of karst fractured rock mass

将表3中所获得岩溶化裂隙岩体力学参数代入到式(15)和式(16)得到岩溶化裂隙岩体损伤本构模型参数m和ε0。

将表4中所获得的模型参数代入式(12)即可计算得到具有不同初始损伤的裂隙灰岩的损伤演化曲线(图14)。

表4 模型参数Table 4 Model parameters

从图14可知，损伤演化曲线在单轴压缩条件下损伤的变化规律都有着相似的规律。在加载的初始阶段，损伤增长缓慢；随着荷载的增加，储存在岩体内部的应变能逐渐释放，损伤进一步累计，进入快速增长阶段；随后压缩应力达到峰值，试样破坏，损伤增长速率减缓，直至试样完全丧失强度，损伤累计也达到1。

对于完整灰岩而言，在荷载作用下，损伤从0开始缓慢增长，同样在经历缓慢增长阶段、加速增长阶段、增速减缓阶段后损伤值达到1。对于溶蚀灰岩而言，由于存在不同的初始损伤，损伤演化曲线从不同的初始损伤开始损伤演化发育。初始阶段，溶蚀岩体在荷载作用下，未被溶蚀部分的骨架颗粒开始朝着溶蚀空洞的临空区域变形，岩体处于压密阶段，损伤缓慢增加；加速增长阶段，由于初始损伤的存在，试样破坏时的应变提前，试样发生起源于溶蚀空洞的拉破坏和剪切破坏，直至达到其峰值强度；损伤增速减缓阶段，试样破坏进入峰后阶段，损伤持续累计直至达到1。

对比溶蚀灰岩和溶蚀裂隙灰岩，其损伤演化规律基本相似，均经历缓慢增长阶段、加速增长阶段和增速减缓阶段。但溶蚀裂隙灰岩具有更多的初始损伤，且随着溶蚀率的增加总体表现出破坏点前移的现象。就只存在裂隙的岩体而言，在单轴压缩荷载的作用下，同样经历损伤演化的3个阶段，但是其加速增长阶段的损伤增长速率最快。试验现象与本文所构建的损伤演化模型表现出高度的吻合，说明该模型具有一定的合理性。

4.3 岩溶化裂隙岩体损伤特征分析

4.3.1 具有不同初始损伤性质的岩体损伤特征分析

由图15可知，对比完整岩石，具有5%溶蚀初始损伤和裂隙初始损伤的岩体的力学性质被不同程度地劣化，其在单轴压缩条件下的峰值应力分别为67.34iMPa和67.89iMPa，且两种初始损伤劣化岩体性质的程度相近。但裂隙初始损伤对岩体具有明显的软化效应，使得峰值应力所对应的应变明显增加至1.7%，从而导致裂隙岩体的弹性模量劣化至完整岩体的20.0%，故裂隙岩体具备了0.8的初始损伤。

对于完整岩石来说，在单轴压缩试验下的主要破坏形式为压致拉破坏，伴随着少量的剪切破坏，与室内试验所表现出的破坏形式接近。当岩体具有5%初始损伤时，破坏行为由完整岩石下的拉破坏转换为起源于溶蚀孔洞的以剪切破坏为主，伴生拉破坏的破坏形式。对于裂隙岩体而言，由于裂隙的存在，在开始加载的初期，所表现出的就是沿着裂隙的拉破坏和剪破坏，即对外界的干扰表现出了灵敏的反馈；在继续加载过程中，靠着仅存的裂隙面的摩擦特性支撑，导致了裂隙岩体具有更大的应变，最终发生伴随有结构面破坏和岩块整体破坏，且所表现出的破坏形式与裂隙岩体边坡失稳破坏形式一致。由图15中可以看出，对于试件的累计破坏数，裂隙岩体试件也表现出了在加载初期裂隙增长速率剧增的性质。当加载开始时累计破坏数迅速增长至2800次左右，这都是裂隙在加载条件下的迅速破坏的结果。当应力达到峰值后，岩块发生局部破坏，累计破坏数再次增加，直至试样完全破坏，这与上述在加载初期裂隙面就迅速破坏的结论一致。而对于完整岩石和溶蚀率5%试样而言，累计裂隙数的变化规律符合常规试件破坏的特征，经历裂隙压密阶段、弹性阶段、稳定破裂阶段以及不稳定破裂发展阶段、最后完全破坏。在进入不稳定破裂阶段后，累计破坏数也随之剧增，直至试样完全破坏。

4.3.2 不同溶蚀率岩溶化裂隙岩体损伤特征分析

由图16和图17可以得出：对于不同溶蚀率的试样，在单轴压缩模拟试验中抗压强度总体上都随着溶蚀率的增加而降低，溶蚀率越高，则具有的初始损伤越大。当溶蚀率≥10%时，溶蚀灰岩和溶蚀裂隙灰岩的初始损伤分别为0.6和0.89，前者强度略比后者要高，但是两者的强度随着溶蚀率的增加降低并不明显。随着溶蚀率的增加，岩体所表现出来的力传递的各向异性特征明显。溶蚀率增加，直接导致了试样内部的有效接触减少，试样的破坏也主要集中在溶蚀孔洞周围，破坏后的碎裂特征也随之减弱。因此，对于溶蚀岩体而言，少量的局部破坏会导致试样整体发生破坏。溶蚀裂隙灰岩溶蚀率越大，岩体异构特征就越明显，所表现出的各向异性特征就越明显。在加载的初始阶段，溶蚀裂隙灰岩主要沿着裂隙发生破坏，导致加载初期的累计破坏数陡增，而当裂隙部分破坏后，裂隙部位靠着摩擦力将应力分配到岩块上，应力开始重新分布，裂隙岩体具有一定的强度，最后部分岩块破坏，试样也就随之发生整体破坏。值得注意的是裂隙岩体在破坏后更容易具备较高的残余强度，这与自然界中常见的裂隙岩质边坡类似(在自然条件发生改变时，岩体沿着原生裂隙发生破坏，但仍然能够在自然工况下保持稳定)。而溶蚀灰岩的累计破坏数分布特征则与实验室声发射累计振铃数一致，虽然溶蚀也是造成岩体损伤的重要原因，但是其发生机理主要是减少岩体内部的有效黏结。在加载初期由仅存的未溶蚀骨架承担应力的传递，同样在经历岩体破坏的典型5个阶段后宣告整体破坏，也就是说其破坏数的累计发生在稳定破裂阶段，而不是同裂隙岩体在加载初期就发生破坏。

对于完整裂隙灰岩来说，在单轴压缩试验下的主要破坏形式为压致拉破坏，伴随着少量的剪切破坏，主要是沿着裂隙发生破坏。而溶蚀裂隙灰岩的破坏行为由完整裂隙灰岩下的拉破坏转换为起源于溶蚀孔洞的以剪切破坏为主，伴生拉破坏的破坏形式。溶蚀裂隙灰岩的破坏主要集中在溶蚀孔洞周围，破坏后的碎裂特征也随之减弱，少量的局部破坏就会导致试样整体发生破坏。溶蚀裂隙灰岩溶蚀率越大，岩体异构特征就越明显，所表现出的各向异性特征就越明显。

4.3.3 岩溶化裂隙岩体损伤破坏的微观特征分析

在岩溶化裂隙岩体的单轴压缩数值试验中，拉裂隙主要以平行于加载方向的劈裂形式出现，轴向劈裂的出现则是源自于岩体中微裂隙或者微损伤部位的横向拉伸应力。在理想状态下，加载初期这种具有初始微裂隙数量的线性弹性体的力学行为的确符合线弹性断裂力学。当然，这种被拉应力反作用的部位由于受到压力的作用其力学强度反而会得到加强，即岩体出现的应变硬化线性就是基于此原理。由图18可知，在压缩荷载的作用下，裂隙灰岩骨架溶蚀后的应力传递是从一个骨架颗粒传向相邻的骨架颗粒的，且压缩力链应与加载方向平行。但是由于溶蚀的存在造成了岩体内部存在“缺陷”，导致力链的传递也表现出了各向异性的特征，直接表现就是非均质力的传递致使垂直于加载方向的张裂形成，即压致拉裂存在的微观解释就是岩体内部存在异构性。

在致密岩体中，宏观裂隙的萌生通常是源于岩体中已经存在的微裂隙或者微损伤本身以及岩体内部产生扩容的部位。在溶蚀裂隙岩体中，溶蚀孔洞即为岩体的“缺陷”部位。因此，在压缩荷载的作用下，裂隙起源于溶蚀孔洞周围的薄弱位置。峰值应力附近，在应力诱导作用下不可逆变形的发展所包含的微观特征主要为裂纹的生长和能量的释放。因此，应力作用下，微裂纹表现出多重性，甚至会发生膨胀和应变硬化，这些损伤演化行为都是研究的重要课题。

在荷载作用下，岩溶化裂隙的宏观破坏主要以拉裂隙为主，伴以部分剪切破坏。微观力学角度的解释就是，破坏阶段主要是裂纹的聚集，大量裂隙的聚集依赖于相邻裂隙之间应力场的复杂的相互作用。因此，具有初始损伤的岩溶化裂隙岩体的微观破坏特征主要为：由于初始损伤(即“缺陷”)的存在，岩体内部产生异构性的特征。岩体具有了异构性和各向异性，岩体内部就产生了由非均质力传递所引起的垂直于加载方向的张裂，张裂的存在为拉裂隙的发育提供了可能。同时，岩体内部“缺陷”处的薄弱部位存在的潜在微裂纹会局部萌发，随着加载的继续进行，微裂纹部位在张力的作用下发生扩容作用，裂隙进一步被拓宽，然后随着裂隙数量增加，相邻微裂纹之间开始发生力的相互作用，最后裂纹扩展贯通，导致宏观破坏发生。

5 结 论

岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。损伤演化模型能够很好地反映具有初始损伤的岩溶化裂隙岩体的损伤演化规律；初始损伤的存在对裂隙岩体也具有明显的劣化作用。

岩溶化裂隙岩体的初始损伤随溶蚀率的增加而增加，最终增加速率趋于平缓。岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型分布，累计损伤先缓慢增加，随后迅速增长，最后缓慢增加至损伤值为1。岩溶化裂隙岩体的初始损伤造成岩体内部的异构特征，从而岩体在异构力的作用下初始损伤部位的裂纹萌生，裂纹的发展经历如下4个阶段：(1)初始损伤部位的微裂纹萌生，裂纹起源于溶蚀孔洞周围的薄弱位置；(2)随着加载的进行，微裂隙发生扩容和剪切作用；(3)微裂纹长度和数量增加，相邻微裂纹之间开始发生力的相互作用，裂纹逐渐变宽；(4)微裂纹贯通引起的宏观破坏。

对于不同溶蚀率的裂隙灰岩，抗压强度总体上都随着溶蚀率的增加而降低。溶蚀灰岩破坏行为由完整岩石下的拉破坏转换为起源于溶蚀孔洞的以剪切破坏为主、伴生拉破坏的破坏形式；对于裂隙岩体而言，所表现出的就是沿着裂隙的拉破坏和剪破坏。溶蚀灰岩的破坏主要集中在溶蚀孔洞周围，破坏后的碎裂特征也随之减弱，少量的局部破坏就会导致试样整体发生破坏。溶蚀裂隙灰岩主要沿着裂隙发生破坏，当裂隙部分破坏后，裂隙灰岩具有一定的强度，但是当残余岩块破坏后，试样也就随之发生整体破坏。