運(yùn)用ANSYS法探討軟弱夾層對(duì)巖體破裂的影響

徐珂，戴俊生，馮建偉，付曉龍，王碩，劉超

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

軟弱夾層廣泛分布于地質(zhì)體中，由于其塑性大，抗剪強(qiáng)度低，易造成地質(zhì)體的不穩(wěn)定。含軟弱夾層的巖體在受力破壞時(shí)具有特殊的表現(xiàn)，其裂縫的產(chǎn)生和延伸比較復(fù)雜，現(xiàn)有的破裂準(zhǔn)則難以精準(zhǔn)描述它們的破裂規(guī)律。這一問題也給精細(xì)地質(zhì)建模帶來(lái)了困擾[1]。目前，在地質(zhì)、力學(xué)及工程上研究軟弱夾層對(duì)巖體破裂影響的學(xué)者不在少數(shù)。程強(qiáng)等[2]對(duì)典型紅層軟弱夾層剪切蠕變性質(zhì)進(jìn)行了研究，認(rèn)為軟弱結(jié)構(gòu)面是邊坡巖體失穩(wěn)的關(guān)鍵；張德佳[3]系統(tǒng)研究了軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及加固措施；張志強(qiáng)等[4]運(yùn)用FINAL有限元軟件模擬了不同厚度下軟弱夾層的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)變化，分析了其對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響；張沖等[5]從微觀尺度出發(fā)，研究了微觀巖石結(jié)構(gòu)面變形的基本力學(xué)行為，為裂縫控制因素分析、預(yù)測(cè)和有效性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)；許寶田等[6]采用自制裝置，通過試驗(yàn)測(cè)試了巖體中軟弱夾層的力學(xué)特性，對(duì)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比例極限、屈服點(diǎn)和峰值點(diǎn)的厘定；胡濤等[7]從微觀入手，對(duì)沉積型軟弱夾層的顆粒粒度、強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定了不同類型夾層的物理性狀指標(biāo)及強(qiáng)度間的相關(guān)關(guān)系。

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，可以對(duì)不連續(xù)的非均勻介質(zhì)組成的巖體進(jìn)行應(yīng)力特征研究。整個(gè)巖體將被分為數(shù)目有限的單元，通過分析計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而綜合分析所有單元來(lái)研究整體特征。每個(gè)單元的位移、應(yīng)變及應(yīng)力都可以經(jīng)過計(jì)算得出，因此巖體在受力狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布都可以直觀地表現(xiàn)出來(lái)，并且可以分析裂紋及其尖端應(yīng)力場(chǎng)的特征[8-11]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過巖石單軸壓縮試驗(yàn)，并用ANSYS軟件建立與實(shí)體1∶1的模型，根據(jù)真實(shí)情景加載約束與載荷，分析不同夾層特征的應(yīng)力、應(yīng)變及強(qiáng)度分布，以此推斷和解釋含夾層巖體的破裂規(guī)律。本研究對(duì)判斷含夾層地質(zhì)體的裂縫產(chǎn)生、發(fā)育與分布規(guī)律具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 巖石力學(xué)試驗(yàn)

巖石受到不同的構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，將發(fā)生不同形式的變形，當(dāng)所承受的應(yīng)力超過極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂縫。由于不同巖石本身性質(zhì)及所受應(yīng)力條件不同，破裂的方式也不同。對(duì)于含夾層的巖石而言，夾層特征的不同必然導(dǎo)致破裂規(guī)律的差異。

研究利用相似原理，通過相似材料制成性質(zhì)類似泥巖和石灰?guī)r的材料，泥巖作為石灰?guī)r的夾層。試驗(yàn)試件尺寸為φ50 mm×100 mm的柱體。通過對(duì)單一巖體進(jìn)行三軸試驗(yàn)確定其力學(xué)參數(shù)。

式中：E 為巖石彈性模量，GPa；σ1，σ2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的應(yīng)力，MPa；εz1，εz2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的軸向應(yīng)變[10]，mm。

泊松比為巖石在三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值：

式中：μ為巖石泊松比；εx1，εx2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的徑向應(yīng)變，mm。

試驗(yàn)得到的參數(shù)見表1。

表1 各材料力學(xué)性質(zhì)

3組試驗(yàn)分別對(duì)夾層數(shù)、厚度及間距不同時(shí)對(duì)整個(gè)巖體破裂產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。對(duì)所有試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，導(dǎo)出試驗(yàn)過程中各個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖 1）。

圖1 不同夾層特征模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第1組模型研究夾層數(shù)對(duì)破裂的影響，模型分別含1層、2層和3層夾層，厚度均為5 mm；第2組模型研究夾層厚度對(duì)破裂的影響，厚度分別為5，10，15 mm；第3組研究夾層間距對(duì)破裂的影響，間距分別為5，10，15 mm，夾層厚度均為 5 mm。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 夾層數(shù)不同

巖體中含有不同數(shù)量軟弱夾層，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1a。由圖可見，含3層夾層的巖體具有較高的抗壓強(qiáng)度，約為12.50 MPa，而僅含1層夾層巖體的抗壓強(qiáng)度較低，約為10.50 MPa，故夾層數(shù)越多，整體的抗壓強(qiáng)度越強(qiáng)，巖體越不易破壞。這是因?yàn)檐浫鯅A層將應(yīng)力緩沖，故能承受更大的壓力，減輕破壞。

分別對(duì)3種不同夾層數(shù)的巖體進(jìn)行數(shù)值模擬。使用ANSYS 15.0有限元分析軟件，模型尺寸與實(shí)際試件按1∶1建立。層間采用Glue方式膠結(jié)，采用Solid 45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元為8節(jié)點(diǎn)，鉛直方向施加單軸擠壓力。

模擬結(jié)果見表2。

表2 不同夾層數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果

分析數(shù)值模擬結(jié)果的應(yīng)力、應(yīng)變及強(qiáng)度分布，結(jié)果見表3。可以看出，3個(gè)模型的最小主應(yīng)力（變）和中間主應(yīng)力（變）特征相近，但含3層夾層的巖體的最小和中間主應(yīng)力（變）大于含有1層和2層夾層的巖體。表2中還可以看到這樣一個(gè)現(xiàn)象，在最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力的分布圖中，泥巖的應(yīng)力和交界面附近石灰?guī)r的應(yīng)力呈現(xiàn)出方向相反的狀態(tài)。這是由于泥巖和石灰?guī)r交界處的水平變形不一致，而石灰?guī)r的彈性模量大于泥巖，且泊松比小于泥巖，導(dǎo)致泥巖的水平變形大于石灰?guī)r。因此，在巖體受壓達(dá)到峰值強(qiáng)度的過程中，由于變形特性的差異及變形連續(xù)靜力平衡條件，在交界面附近上下兩側(cè)的石灰?guī)r和泥巖在水平方向上必然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力突變，就會(huì)在界面上產(chǎn)生方向相反的應(yīng)力[11]。

最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變的分布較為明顯。隨著夾層數(shù)增多，泥巖承受的最大主應(yīng)力增大，石灰?guī)r承受的應(yīng)力略有減小。應(yīng)變分布表明，泥巖的應(yīng)變量隨夾層數(shù)的增多而增大，但是石灰?guī)r的應(yīng)變呈較小趨勢(shì)。說(shuō)明巖體中包含的軟弱夾層越多，軟弱夾層使應(yīng)力緩沖，從而減少了石灰?guī)r受力，減輕破壞。模擬結(jié)果與巖石試驗(yàn)結(jié)論一致。

2.2 夾層厚度不同

從圖1b可以看出，軟弱夾層厚度為最小時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度最大，約為10.50 MPa，夾層最厚時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度最小，約9.50 MPa。說(shuō)明夾層厚度越大，巖體抗壓強(qiáng)度越小。這是由于強(qiáng)度低、易變形的夾層在力的作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)向外的拉張力，使它首先開裂、破壞，對(duì)整體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，且夾層越厚越降低整體的抗壓強(qiáng)度。ANSYS模擬結(jié)果可以驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。

表3 不同夾層數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)力分布分析

模擬僅將巖體承受的載荷作為變量，為了看出應(yīng)力-應(yīng)變分布的顯著變化，施加15 MPa載荷。

通過分析模擬結(jié)果（見表4）可以得出：最小主應(yīng)力和中間應(yīng)力為水平方向，主要影響巖體的橫向膨脹變形，夾層越厚，水平向的膨脹、變形就越明顯；在軸向上，夾層厚度越大，夾層承受的軸向擠壓應(yīng)力越大，巖體發(fā)生的應(yīng)變與承受的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)一致；在最小、中間及最大應(yīng)力方向的應(yīng)變均隨著夾層厚度增大而增大。因此，夾層的存在使整體巖塊變得容易變形、破壞，夾層越厚，越易于遭受破壞，模擬結(jié)果與應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)論一致。

表4 不同夾層厚度的模擬結(jié)果應(yīng)力分布分析

2.3 夾層間距不同

從圖1c可以看出：夾層間的間距為5 mm時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度約12.50 MPa；間距為15 mm時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度約為12.00 MPa；10 mm間距的單軸抗壓強(qiáng)度介于兩者之間。說(shuō)明隨著夾層的間距增大，抗壓強(qiáng)度降低。這是因?yàn)閵A層的存在破壞了巖體的完整性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绮蛔兊那闆r下，夾層間隔越大，主要成分的不連續(xù)性越大，故抗壓強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出減小；夾層間隔的增大也導(dǎo)致軟弱層的分散，受力后軟弱層首先發(fā)生裂紋，同時(shí)產(chǎn)生變形，影響了巖體整體的強(qiáng)度。

運(yùn)用ANSYS進(jìn)行模擬，夾層間距為唯一變量，軸向施加的荷載仍為15 MPa。分析模擬結(jié)果見表5。

表5 不同夾層間距的模擬結(jié)果應(yīng)力分布分析

最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力在水平面方向垂直，在圓形截面上的表現(xiàn)基本相同。當(dāng)間距為5 mm時(shí)，由于夾層厚度也為5 mm，受泥巖之間的相互作用，3層泥巖夾層間的2段石灰?guī)r也可以看作是夾層。由于泥巖和石灰?guī)r在力的作用下產(chǎn)生的變形量不同，會(huì)在界面處產(chǎn)生相反的應(yīng)力。隨間距的增大，泥巖之間的相互作用減弱，層間石灰?guī)r的應(yīng)力分布與巖體頂?shù)撞渴規(guī)r的應(yīng)力分布基本一致。

泥巖夾層的最大主應(yīng)力隨夾層間距增大而略微減小，而應(yīng)變逐漸增大。對(duì)于層間石灰?guī)r來(lái)說(shuō)，由于被泥巖夾層分隔，石灰?guī)r厚度較薄，但是承受的應(yīng)力較大，故中部2段石灰?guī)r比較容易變形、破裂；又因?yàn)槟鄮r本身強(qiáng)度小、易變形的特性，所以?shī)A層間隔越大，不連續(xù)性越強(qiáng)，巖體越容易破壞，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的結(jié)論相符。

3 結(jié)論

1）巖體軟弱夾層的數(shù)量厚度、間距影響整體的強(qiáng)度。層數(shù)越多，對(duì)外力起到的緩沖作用越大，提高了巖體的抗壓強(qiáng)度；厚度越大，強(qiáng)硬圍巖的成分越少，整體強(qiáng)度變低，巖體容易破壞；間距大，被分隔的強(qiáng)硬圍巖的不連續(xù)性就強(qiáng)，巖體整體被分散，整體強(qiáng)度就變低，易于變形、破壞。

2）ANSYS數(shù)值模擬法在本次研究中得到了合理而正確的應(yīng)用，結(jié)果滿足試驗(yàn)的要求并符合客觀情況。

[1]江艷平，蘆鳳明，李濤，等.復(fù)雜斷塊油藏地質(zhì)建模難點(diǎn)及對(duì)策[J].斷塊油氣田，2013，20（5）：585-588.

[2]程強(qiáng)，周德培，封志軍.典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質(zhì)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增刊 1）：3176-3180.

[3]張德佳.含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及加固效應(yīng)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[4]張志強(qiáng)，李寧，陳方方，等.軟弱夾層厚度模擬實(shí)用方法及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（增刊 1）：2637-2644.

[5]張沖，謝潤(rùn)成，姚勇，等.深層致密砂巖儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)面微觀力學(xué)行為特征[J].斷塊油氣田，2014，21（5）：560-563.

[6]許寶田，閻長(zhǎng)虹，陳漢永，等.邊坡巖體軟弱夾層力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（11）：3077-3081.

[7]胡濤，任光明，聶德新，等.沉積型軟弱夾層成因分類及強(qiáng)度特征[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15（1）：124-128.

[8]劉一偉，張繼春，郭學(xué)彬，等.軟弱夾層強(qiáng)度參數(shù)的室內(nèi)模擬[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（1）：30-34.

[9]徐素國(guó)，梁衛(wèi)國(guó)，莫江，等.軟弱泥巖夾層對(duì)層狀鹽巖體力學(xué)特性影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（5）：878-883.

[10]李銀平，劉江，楊春和.泥巖夾層對(duì)鹽巖變形和破損特征的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（12）：2461-2466.

[11]姜德義，任濤，陳結(jié)，等.含軟弱夾層鹽巖型鹽力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（9）：1797-1803.