含走向异面断续裂隙岩体破裂行为及裂隙延伸尺寸效应研究*

2024-01-11白天宇

工程地质学报 2023年6期

黄达白天宇钟助

(河北工业大学土木与交通学院,天津 300400,中国)

0 引言

自然界中的岩体是一种由矿物组成的非均质材料,在岩体内部随机赋存有大量的裂隙、层理、节理、断层等多尺度结构面(蔡美峰等,2013),它们对岩体结构的稳定性起到关键性的作用。边坡失稳要经历滑移面的孕育、演化、发展和贯通过程(张家明,2020)。工程实践表明,断续结构面在岩体工程内比较常见,由于其分布的随机性导致其相互之间的产状存在差异,尤其是走向差异会使得岩桥变成一个空间异面直线之间的几何体,导致走向异面断续结构面之间的岩桥破裂贯通是一个复杂的三维岩石力学问题,且在裂隙延伸方向必然存在显著的尺寸效应。例如,澜沧江小湾水电站左岸库坡的阶梯状滑移就是由于走向异面间岩桥贯通诱发失稳(图1),由于滑体地处坡表,近似于单向压缩状态,因此,宏观上可简化成单轴压缩下含走向异面断续裂隙岩体的地质力学模型。

图1 小湾水电站左岸库坡阶梯状滑移

地质灾害是可认识的,可防治的,众多学者对裂隙岩体的研究一直未曾停歇(刘传正等,2020)。国内外众多学者针对三维裂隙岩体开展了试验和数值模拟研究。Adams et al.(1978)发现,三维裂隙的存在,于自然岩体之中更具有普遍性,因而对含有内置三维裂隙的有机玻璃试样进行单轴压缩试验,得出裂隙扩展自裂隙尖端,扩展至一定程度后停止,有鱼鳍状裂纹产生。Wong et al.(2004b)通过对PMMA材料开展了半圆形三维表面裂纹扩展机制的研究,发现了花瓣形裂纹且裂纹的破裂模式由裂纹的深度和试样的厚度共同决定。之后CT扫描技术在岩土工程的细观结构研究中广泛应用(杨圣涛等,2021)。李术才等(2009)选择了与前人不同的非透明材料,结合了CT扫描技术对含三维预制裂隙的陶瓷试样的单轴压缩试验过程与结果进行分析,进一步研究了裂隙的损伤演化过程。黄明利等(1999,2001,2007)开展非单一裂隙的研究,通过数值模拟RFPA2D分析了裂隙之间的相互作用,利用树脂材料研究了裂隙布置形式与裂隙的几何参数对裂纹扩展模式的影响。付金伟等(2013a,2013b)采用透明树脂材料,在低温下增加材料脆性,使之力学性质更接近岩石,分别对三维内置单裂隙和三维双裂隙组的试样开展单轴压缩试验,并结合FLAC3D数值模拟,给出了一些复杂的三维裂隙形成机制与清晰的图片和说明。尚黎明等(2015)研究了含有三维内置裂隙的红砂岩在单轴压缩条件下裂隙尺寸的变化对岩石裂隙扩展、破坏规律和应力分布的影响,提出了试样的峰值强度和峰值应变的折减程度随裂隙直径和张开度的增大而增大的规律。Huang et al.(2021)对含走向非一致裂隙的3D打印树脂试样进行单轴压缩试验研究,发现当裂隙走向差异较大时,岩桥仅能发生部分贯通。

由上可以看出,国内外学者针对于三维裂隙岩体破裂的研究是从简单的裂纹扩展形状到裂纹扩展机制,从单一裂隙到多裂隙相互影响的不断深入。但是,目前的研究主要集中于裂隙走向一致的工况,并未涉及裂隙本身空间延伸方向的差异,且少有开展内部岩体结构面的三维组合模式与试样尺寸对岩体力学行为的综合影响规律的探索。基于此,本文开展了含走向异面断续裂隙类岩石材料的单轴压缩试验,旨在探究三维双贯通偏转裂隙延伸方向的尺寸大小对岩体力学特性、破坏模式及岩桥贯通机制的影响,以期对边坡浅层、矿柱等单向受力状态岩体的三维破裂机制的探究提供借鉴意义。

1 试验设计

1.1 试验方案设置

本试验研究单轴压缩下沿着裂隙延伸方向的尺寸变化对含走向异面的断续裂隙岩体破裂行为的影响,采用布置走向异面贯通双裂隙试样。

令预制裂隙长度l为20mm、倾角θ1为60°; 岩桥长度L为30mm、倾角θ2为60°; 保持试样的一个面尺寸不变(100mm×200mm),沿着裂隙延伸方向的尺寸设置从75～175mm均分为5组。走向差异角φ包括 0°、15°、30° 3种情况,如图2、表1所示。

表1 试样与裂隙的几何参数

图2 试样制作及几何尺寸

1.2 走向异面双裂隙的布置方法

首先在试样内部插入两条平行裂隙(图3a),图中AB、BC及CD分别为下部裂隙2、岩桥与上部裂隙1在试样厚度方向上的中心线,裂隙2绕其中心轴AB顺时针偏转一定的角度(γ),裂隙1绕其中心线CD逆时针偏转相同的角度(图3b); 通过以上方式,试样内形成了一对走向异面断续裂隙(图3c),用两裂隙偏转之和(2γ)表示裂隙走向差异角φ,岩桥区域不再是一个平面,而是上部裂隙1与下部裂隙2之间的空间区域。

图3 试样内空间偏转裂隙的布置方法

1.3 试样制备

试样中采用的模型材料是由质量配比为42.5硅酸盐水泥︰石英砂︰石膏︰重晶石粉︰水=8︰4︰ 2︰1︰ 4的混合物浇筑而成,在室温下养护28d后,对标准试样分别进行单轴压缩试验、巴西圆盘劈裂试验和直剪试验,获得的基本力学参数如表2所示。

表2 试样的力学参数

1.4 试验装置

采用中机试验装备股份有限公司生产的岩石双轴流变试验机(ZXB500型)对试样进行单轴压缩试验,采用位移控制的方式,加载速度设置为0.1mm·min-1。为了降低端部效应对试验结果的影响,在正式加载开始前需对试样底部与顶部垫上云母片或者涂抹适量黄油,从而减小试样与加载装置之间的摩擦力。另外,设置预加载以消除由于加载仪器内部存在一定的机械空隙这些不利因素对试验数据的影响。在启动加载仪器前设置预加荷载0.5kN,加载仪器完成预加载后会自动将荷载与位移数据归零,然后进入正式加载过程。

CT扫描采用河北工业大学工业CT扫描仪,CT扫描的空间分辨率为2 lp·mm-1,密度分辨率为0.4%。分析系统使用的是VGSTUDIO MAX软件,通过基于最小二乘法的坐标测量仪评估软件测试及基于最小区域法的坐标测量仪测试的体积图形计算内核,可以对体素数据进行可视化重构与分析。通过三维重构得到体素大小为0.108mm×0.108mm×0.108mm的图像数据。

2 裂纹扩展及岩桥贯通模式

2.1 二维切片分析

为了研究裂隙延伸方向一维尺寸对试样内部的破裂形态的影响,给出了不同尺寸下(裂隙延伸方向尺寸分别为75mm、100mm、125mm、150mm、175mm)不同走向差异角(0°、15°、30°)的试样在单轴压缩试验下的破坏图像,分别截取了试样的前面、中面、后面的CT图像进行分析,结果如表3所示。

表3 不同裂隙延伸尺寸和走向差异角试样的破裂形态

试样在荷载的作用下,在预制裂隙的尖端产生应力集中,由此,新生裂隙首先在预制裂隙的尖端部位产生。当试样的裂隙走向差异角为0°时,新生裂纹自预制裂隙尖端开展,分别向内、外两个方向延伸。预制裂隙外端裂纹沿着荷载施加的方向试样的上下边缘延伸发展,形成翼裂纹,最终造成试样破坏; 上部裂隙与下部裂隙内端的裂纹扩展相交汇,在岩桥部分完全贯通,岩桥区域为明显的剪切破坏。当试样的裂隙走向差异角为15°时,预制裂隙的外端仍然为沿荷载方向扩展的翼裂纹延伸至破坏,试样前面的两条预制裂隙仍然为内端的裂纹开展延伸并于岩桥区域发生贯通,但岩桥区域为两边剪中间拉的拉剪复合破坏; 试样中面的岩桥区域随着裂隙延伸方向尺寸的增大变得不同,当裂隙延伸方向尺寸为75～125mm时,岩桥区域仍然为拉剪复合贯通,但是增加到150mm以后,预制裂隙内端的裂纹开展先是沿着荷载方向延伸很小一段后开始向临近的侧面弯曲,岩桥区域不再贯通; 试样后面预制裂隙内端的裂纹开展先是沿着荷载方向延伸很小一段后开始向侧面弯曲,岩桥区域均未发生贯通。当试样的裂隙走向差异角为30°时,试样前面的岩桥区域贯通模式有了新的变化,当尺寸在75mm、100mm时,裂隙贯通模式还是由两个预制裂隙的内端扩展到交汇贯通的拉剪复合贯通; 等尺寸增大到125mm时,变为上部裂隙的内端沿着荷载方向延伸后与下部裂隙的外端的裂纹贯通的张拉贯通; 尺寸进一步增大到150mm与175mm时,发展成为上部裂隙的内端与下部裂隙的外端、上部裂隙外端与下部裂隙内端扩展裂纹交汇贯通的双贯通模式。试样中面与走向差异角为15°时类似; 试样后面仍然为完全不贯通。在裂隙的走向偏转角的影响下,随着裂隙延伸方向尺寸的增加,两条预制裂隙在越接近试样前面时的距离越来越近,在接近试样后面时距离越来越远,试样裂隙结构的偏转进一步增大,整个试样的几何不对称性更大。试样前面岩桥区域的贯通模式为:剪切型贯通→拉剪复合型贯通→受拉型贯通→复合型双贯通。整个试样以试样中面为基准面向两侧延伸,结合不同尺寸下试样中面的贯通情况可以看出,随着裂纹深度的增加,次生裂纹变多,两裂隙内部尖端搭接的张拉裂纹逐渐消失,最终岩桥不贯通。试样后面则为预制裂隙尖端沿荷载方向分别扩展,由翼裂纹或者次生裂纹贯通至上下底面。通过不同尺寸、不同走向偏转角试样内部的试样裂纹扩展图可以看出,随着尺寸与走向差异角的增大,岩桥贯通区的张拉破裂元素越来越明显。

2.2 岩桥贯通模式

岩桥是走向异面断续裂隙阶梯状滑移边坡稳定的重要因素。综合上述分析,我们可以归纳出岩桥的贯通模式与裂隙延伸尺寸及走向差异角之间的关系,其结果如图4、图5所示。

图4 岩桥的贯通模式归纳

图5 岩桥区域裂隙贯通模式

岩桥区域的贯通模式受裂隙延伸尺寸与走向差异角两个因素的影响。在走向差异角为0°时,岩桥区域的贯通为完全单破裂面贯通,破裂面为剪切的平直面; 随着裂隙延伸尺寸的增加,岩桥区域开始出现拉应力,从纯剪切贯通的平直面到拉-剪贯通的凹折面又到拉-剪贯通的“S”形曲面,岩桥区域的受拉元素增加。当走向差异角为15°时,岩桥区域由完全贯通变为部分贯通,走向差异角增加了试样的不对称性,岩桥区域除了有张拉、剪切破裂之外,还因预制裂隙的空间不对称性,出现了撕裂变形,为I-Ⅱ-Ⅲ复合型破裂。当走向差异角增大到30°,岩桥区域为部分贯通,且贯通部分相较于15°有小幅度减少,且曲面的翘曲程度在增大,随着裂隙延伸尺寸的增大,岩桥区域由上部裂隙与下部裂隙的内端扩展相连的单贯通,转化为上部裂隙的内端、外端的扩展裂纹分别与下部裂隙的外端、内端的扩展裂纹相连接的双贯通。总结以上规律得出:(1)随着裂隙的延伸尺寸的增大,岩桥区域的贯通受拉元素增加。(2)随着裂隙走向差异角的增大,岩桥区域贯通率减小,贯通面翘曲程度增大。

3 岩体力学特性

3.1 应力-应变曲线

为了分析含走向异面断续裂隙岩体的应力-应变曲线特征,取走向差异角φ为30°,沿裂隙延伸(厚度)方向的尺寸为75mm、100mm、125mm、150mm、175mm的5个试样的应力-应变曲线为代表进行分析(图6)。

图6 典型应力-应变曲线

由图6可知试样的应力-应变曲线整体上趋势相似,试样的压缩受力变形过程共分5个阶段:微裂隙压密阶段(oa段)、弹性变形阶段(ab段)、起裂和扩展阶段(bc段)、裂纹加速扩展及次生裂纹萌生阶段(cd段)和破坏阶段(de段)。与二维裂隙岩体应力-应变曲线最大不同之处,是曲线在cd段到达峰值后并没有迅速下降,而是出现了一段缓慢下降区段。

3.2 峰值强度

图7拟合出了裂隙延伸尺寸与走向差异角对试样峰值强度的影响曲面。目前的研究普遍认同,在单轴压缩下,岩石的强度会随着尺寸的增大而减小(杨圣奇等,2002)。但是于本次试验结果来看,预制偏转贯通双裂隙试样的尺寸效应要更加复杂。

当裂隙走向偏转角一定时,观察尺寸效应对试样峰值强度的影响。在裂隙走向偏转角为0°情况下,随着裂隙延伸的尺寸增大,试样的峰值强度整体呈减小的趋势,先陡降,在裂隙延伸尺寸达到125mm后下降趋势趋于平缓。随着裂隙延伸尺寸增大,相对于整个试样,裂隙面积在增大,缺陷变大,试样整体强度降低。但是随着裂隙延伸尺寸的增大,试样的厚度也在增大,整个试样的受力状态逐渐趋于三向应力状态,因而试样强度的下降开始趋于平缓。在裂隙走向偏转角为15°情况下,峰值强度呈非常平缓的先减小后增大又减小的趋势,走向偏转角使试样的整体不对称性增大,并且不对称性在随着尺寸的增大也在增大,尺寸在100mm及以前不对称性的影响还不是很明显,此时由于尺寸的增大造成的缺陷增大仍然是峰值强度减小的主要原因。随着尺寸的继续增加达到125mm,缺陷的削弱效应对试样峰值强度的影响变小,不对称性对峰值强度的增强作用开始显现,所以强度有所增加。但随着尺寸的继续增加,不对称性对峰值强度的增强效应不再明显。在裂隙走向偏转角为30°情况下,峰值强度呈明显的增大,在尺寸达到100mm时后缓缓减小的趋势。这是由于走向偏转角的增大使不对称性的增大效应提前。

通过上述现象可知,试样的峰值强度受裂隙延伸尺寸和走向差异角的双重作用的影响,裂隙延伸尺寸对试样的峰值强度有削弱效应,但此削弱效应会随着尺寸的增大逐渐减小; 裂隙的走向差异角的影响更加复杂,走向差异角通过影响试样的整体不对称性来间接影响试样的峰值强度,走向差异角一定时,整体试样的不对称性随着裂隙延伸尺寸的增大而增大,裂隙延伸尺寸一定时,试样的不对称性随着走向差异角的增大而增大。试样的不对称性对试样的峰值强度有一定的增强效应。

3.3 弹性模量

弹性模量可以有效的衡量抵抗弹性变形能力的大小。图8拟合出了裂隙延伸尺寸与走向差异角对试样弹性模量的影响曲面。可以明显看出,弹性模量随裂隙延伸尺寸与走向差异角的变化趋势与峰值强度的变化趋势出现惊人的一致性。裂隙延伸尺寸的增大对弹性模量有一定的削弱作用,但同时走向差异角带来的三维非对称性提高整体试样的刚度,尺寸效应又对走向差异角所带来的三维非对称性有线性增强,进一步对试样的弹性模量产生二次效应。因此,在走向差异角为0°时,弹性模量为简单的下降趋势; 随着走向差异角增大至15°时,弹性模量先缓缓下降后慢慢上升; 继续增大走向差异角到30°,弹性模量受三维不对称性的作用效应被提前,因此下降段不再显现,而是先缓缓增加。随着尺寸的继续增大,超过125mm之后,尺寸效应的削弱作用大大减小,走向偏转角的作用显现,试样的弹性模量随着走向偏转角的增大而增大。

图8 岩桥倾角和走向差异角对弹性模量的综合影响

3.4 塑性指标

塑性变形反映了试样裂纹的扩展和破坏,其大小可为实际工程的预警及抢修提供参考借鉴。本试验是位移控制加载,位移与时间成正比,此处定义一个塑性指标ηp,塑性指标为岩石塑性应变占总应变的比值,通过分析岩桥倾角和走向差异角对试样塑性指标的影响规律,来分析试样的几何构造对岩体塑性强弱的影响。

(1)

式中:εc为压密变形;εe为弹性变形;εp为塑性变形。根据式(1)提出的塑性指标,通过对所有应力-应变曲线进行提取,得到了岩桥倾角和走向差异角对试样塑性变形的综合影响曲面,如图9所示。曲面整体上呈现出左右凹陷右中部凸起的形态。在裂隙走向差异角为0°时,随着裂隙延伸尺寸的增加,试样的塑性指标呈现缓缓下降的趋势,这是由于随着尺寸的增大,整个试样的体积增大,内部缺陷增多,塑性降低。裂隙走向差异角为15°时,试样的塑性指标随着尺寸的增加先增大,在尺寸到达125mm达到顶峰,接着开始下降,裂隙的走向偏转角增大了整个试样的三维不对称性,在一定程度上增强了试样的塑性,且此增强效应在尺寸为125mm处达到最大,随着尺寸继续增大,这个增强效应逐渐减小。裂隙走向差异角为30°时试样的塑性指标的变化趋势与走向差异角为15°时趋势类似,但是塑性指标的增幅更大。这是由于走向差异角使效应增幅更加明显。值得一提的是,此时塑性指标的峰值在延伸尺寸到达125mm之前,此增幅效应相较于走向差异角为15°有一定的提前。

4 讨论

岩石块体失稳滑落是岩体工程边坡中的常见现象,而上、下结构面间岩桥区域的贯通模式对其有着直接影响。图10中根据3种岩桥区域贯通模式总结出3种边坡岩石块体滑落模型。当岩桥区域完全贯通时,上、下结构面由岩桥区域的贯通面相连,形成一个整体的块体,在重力以及其他扰动作用下,整个块体将会失稳滑落; 当岩桥区与为部分单贯通时,下部结构面裂纹扩展形成独立的块体,当下部结构面块体失稳滑落后,上部结构面因下部结构面块体的滑落失去支撑而造成二次滑落; 当岩桥区域为部分双贯通时,下部结构面块体失稳滑落后,上部结构面虽有裂隙延伸却未生成新的块体,进而保持相对稳定。岩体裂隙的三维扩展形态和岩桥区域的贯通模式可为岩体工程设计提供参考和启示。