貫通節(jié)理的傾角和粗糙度對巖石破壞模式的影響分析*

高臻煒，陳世江，杜廣盛，焦文彥，古運峰

(1.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.太原辰宇市政工程有限公司，山西 太原 030024)

經(jīng)過自然界的地質(zhì)作用，巖石內(nèi)部存在著各式節(jié)理，節(jié)理控制著巖石強度.當節(jié)理發(fā)生擴張、貫通、剪切等破壞后，均會發(fā)生巖石失穩(wěn)，從而導(dǎo)致各項工程事故.因此，在工程實踐時，節(jié)理對施工進度會產(chǎn)生較大影響.而近年來，探究節(jié)理影響巖石強度規(guī)律及產(chǎn)生裂隙的演化規(guī)律已成為學者們研究的重點.

目前，眾多學者對含節(jié)理巖石地破壞模式進行研究，并取得了豐碩成果.沈明榮等[1]對齒狀結(jié)構(gòu)面在不同法向力下進行剪切，并對節(jié)理的破壞形式進行了分析.鄧華鋒等[2]對節(jié)理進行反復(fù)剪切，觀測節(jié)理強度的變化趨勢.同時，還有一些學者[3～5]應(yīng)用3D打印機獲取精準天然節(jié)理.然而傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗無法觀測到巖石破壞裂隙的發(fā)展，故許多學者采用聲發(fā)射等方式進行監(jiān)控，楊圣奇等[6]對不同粗糙度節(jié)理進行了3軸試驗，并通過聲發(fā)射觀測粗糙度對節(jié)理的演化規(guī)律的影響.于輝等[7]人對鋸齒狀大理巖進行了剪切研究，并采用聲發(fā)射進行監(jiān)測.另一方面，數(shù)值模擬試驗也可再現(xiàn)巖石破壞過程，黃達等[8]通過應(yīng)用PFC2D，對單裂隙砂巖進行了單軸試驗并觀測其破壞裂隙發(fā)展規(guī)律.肖尊群等[9]同樣應(yīng)用PFC2D對泥質(zhì)粉砂巖進行雙軸試驗.

基于上述研究，故運用PFC2D軟件對貫通節(jié)理進行單軸試驗，重點研究貫通節(jié)理的傾角、粗糙度對巖石破壞模型的影響.

1 PFC模型的構(gòu)建

1.1 選取顆粒接觸模型

對于采用PFC數(shù)值軟件進行數(shù)值試驗來說，顆粒間的接觸模型是非常重要的影響因素.在進行模擬前，需將顆粒間的接觸模型進行規(guī)定，在PFC中接觸模型較多，本次選取的接觸模型為線形剛度模型及平行黏結(jié)模型，上述2模型主要差別為顆粒間的黏結(jié)力.線形剛度模型，顆粒間無黏結(jié)力，不可抵抗旋轉(zhuǎn)；平行黏結(jié)模型顆粒間存在黏結(jié)力，可以傳遞力和力矩，但當顆粒間的黏結(jié)鍵斷裂后，此時黏結(jié)模型與線形模型性質(zhì)一直，故此2種模型配合即可生成巖石模型.

1.2 顆粒參數(shù)的選取

為保證試驗現(xiàn)象較為直觀，本次選取的巖石為砂巖，顆粒參數(shù)參考肖尊群等[9]的泥質(zhì)粉砂巖細觀參數(shù)，具體參數(shù)見表1所示.

表1 數(shù)值模擬各參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬的建立

采用PFC對含節(jié)理巖石進行單軸試驗，步驟如下：

(1)選取節(jié)理.本次所用節(jié)理自Bardon線中選取3條，分別為2-4(光滑節(jié)理)、8-10(粗糙節(jié)理)、16-18(極粗糙節(jié)理)3條線,如圖1.

(2)巖石初始平衡.為保證節(jié)理貫通巖石，需將巖石分為上下2盤.試驗采用CAD繪制巖石輪廓，選取的尺寸為5 cm×10 cm標準巖石試件尺寸，巖石內(nèi)部節(jié)理傾角為30°，45°，55°，將繪制好的巖石輪廓導(dǎo)入至PFC生成墻體，之后在墻體內(nèi)生成顆粒.

(3)添加細觀參數(shù).由于上述巖石顆粒間為線形剛度模型，故此時需改為平行黏結(jié)模型，同時添加顆粒的細觀參數(shù).

(4)進行單軸抗壓試驗，加載速度為0.1 m/s，監(jiān)測各巖石強度及裂隙分布狀態(tài).試件模擬過程如圖2所示.

2 巖石破壞模式分析

2.1 加載過程分析

通過分析巖石加載過程，了解節(jié)理受力狀態(tài)，分析巖石的破壞模式.本次以含2-4型45°節(jié)理巖石為例，分析加載過程，如圖3所示，具體可分為如下5個階段：

(1)初始加載階段(AB段)，該階段巖石未發(fā)生明顯變形，主要的變形方式為彈性壓縮變形.

(2)拉伸破壞階段(BC段)，如圖4所示，由于部分法向力被分解為剪切力，此時上下兩盤未發(fā)生滑動，內(nèi)部裂隙沿節(jié)理尖端方向開始擴張，產(chǎn)生拉伸力，該段為巖石內(nèi)部裂隙發(fā)展的主要階段.

(3)過渡階段(CD段)，隨著法向力的增大，當被分解的剪切力強度超過C點時，上下2盤開始滑動.

(4)剪切階段(DE段)，該段節(jié)理主要發(fā)生的破壞形式為剪切，2盤發(fā)生滑動，E點為剪切峰值.

(5)峰后階段(E點后)，由于巖石節(jié)理周圍產(chǎn)生裂隙，伴隨著法向力的增大，在峰后裂隙迅速擴張，直至巖石完全被破壞.

綜上所述，含貫通節(jié)理巖石的破壞方式，主要是隨著法向力的增加，由拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?

2.2 貫通節(jié)理裂隙擴張分析

為了解節(jié)理的粗糙度及傾角對巖石發(fā)生破壞模式的影響，需對巖石產(chǎn)生的裂隙狀態(tài)進行分析，如圖5所示.

通過觀測3組巖石試件，討論傾角、粗糙度對巖石破壞模式的影響.(1)當節(jié)理傾角一致時，(a)組節(jié)理傾角為30°，所產(chǎn)生裂隙與節(jié)理呈垂直狀，此時巖石的破壞模式為拉伸破壞；(b)組傾角為45°，垂直狀裂隙發(fā)育減少，而平行節(jié)理的裂隙開始衍生；(c)組傾角為55°，巖石上下盤開始發(fā)生明顯地滑移現(xiàn)象，平行節(jié)理的裂隙分布較多，此時巖石的破壞模式為剪切破壞.(2)當節(jié)理粗糙度一致時，2-4節(jié)理較為平直，產(chǎn)生垂直狀裂隙較多，抗剪切強度較低，滑移較為明顯，主要發(fā)生拉伸破壞；8-10，16-18產(chǎn)生裂隙較少，抗剪強度較高，主要發(fā)生剪切破壞.(3)配合圖3分析可得，節(jié)理傾角較小、粗糙度較低的巖石主要發(fā)生破壞的階段為BC段，反之，節(jié)理傾角較大、粗糙度高的巖石主要發(fā)生破壞的階段為DE段.

3.3 破壞模式對峰值強度的影響及分析

各巖石抗壓峰值結(jié)果見表2所示.

觀測巖石破壞模式對峰值強度的影響，如圖6所示，當同一傾角時，隨著節(jié)理粗糙度增加，巖石峰值強度呈增漲趨勢；當粗糙度相同時，隨著傾角的上升，1組巖石峰值呈遞減趨勢，2,3組巖石呈現(xiàn)先減小后增加的現(xiàn)象，造成趨勢變化的主要原因是傾角的上升將巖石的破壞模式由拉伸破壞變?yōu)榧羟衅茐?，而光滑?jié)理的抗剪強度較低，故峰值趨勢不一致.

4 結(jié)論

(1)通過分析巖石加載，了解含貫通節(jié)理巖石的破壞過程.隨著法向力的增加，巖石的破壞方式為先產(chǎn)生拉伸破壞，后邊為剪切破壞.

(2)受節(jié)理傾角、粗糙度影響，巖石發(fā)生主要破壞的階段也不一樣.當節(jié)理的傾角或粗糙度較小時，破壞方式為拉伸破壞，當節(jié)理的傾角或粗糙度較大時，破壞方式為剪切破壞.

(3)通過對比3組巖石的峰值強度，分析破壞模式對峰值變化的影響.結(jié)果表明:隨著傾角增長，含光滑節(jié)理巖石峰值趨勢呈遞減，含粗糙節(jié)理巖石峰值趨勢呈現(xiàn)先減小后增加，而造成趨勢不一致的原因為，節(jié)理的粗糙度導(dǎo)致巖石的破壞模式發(fā)生改變.

表2 各巖石抗壓峰值強度