含軟弱夾層巖體的剪切變形及破壞機(jī)理研究

顧 問(wèn)， 丁 偉， 施 威， 王 金

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，南京 210041； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100）

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，巖體因受到構(gòu)造應(yīng)力和各種物理化學(xué)作用的影響，在其內(nèi)部形成了大量的節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)面，軟弱夾層就是其中一種力學(xué)性質(zhì)比較特殊的結(jié)構(gòu)面. 軟弱夾層具有低強(qiáng)度、低彈性模量、高泊松比等特征，是邊坡設(shè)計(jì)、地下開挖、壩基修建等工程活動(dòng)中典型的不良地質(zhì)，也是影響巖體穩(wěn)定性的主要因素［1-4］. 近年來(lái)，由軟弱夾層引起的隧道圍巖垮塌、邊坡滑動(dòng)、壩基失穩(wěn)等工程災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全［5-7］.

目前關(guān)于軟弱夾層對(duì)巖體力學(xué)特性及破壞機(jī)理影響的研究已有許多，且大多研究都是采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)等手段進(jìn)行的［8］. 趙宏剛等［9］通過(guò)真三軸試驗(yàn)研究了含軟弱夾層的復(fù)合巖樣在不同正壓力條件下的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征. 許飛等［10］通過(guò)剪切試驗(yàn)研究了不同含水量以及不同厚度的軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)特性. 丁恩理等［11］通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了不同夾層傾角、不同夾層厚度比對(duì)含薄層硬巖的軟弱夾層試樣的強(qiáng)度及破壞形式的影響. 傅旭東等［12］通過(guò)三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)分析了含不同傾角的軟弱夾層三軸試樣的強(qiáng)度和破壞模式. 焦兵等［13］采用單軸壓縮試驗(yàn)研究了不同傾角軟弱夾層對(duì)砂巖強(qiáng)度和變形的影響. 王宇等［14］通過(guò)不同正應(yīng)力水平下的剪切蠕變?cè)囼?yàn)研究了軟弱夾層的蠕變變形特征、破裂機(jī)制及其長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度的確定方法.

數(shù)值模擬方法也是研究巖體力學(xué)性質(zhì)和變形特征的有效手段之一［15］. 顆粒流是一種基于離散單元法的數(shù)值分析方法. PFC2D是一種廣泛用于模擬巖體材料微觀力學(xué)響應(yīng)的離散元軟件，通過(guò)該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬能充分反映巖體材料的剪切力學(xué)性質(zhì). 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開始采用數(shù)值模擬的方法研究軟弱夾層對(duì)巖體力學(xué)特性及破壞機(jī)理影響. 徐慶強(qiáng)等［16］采用顆粒流程序（PFC）建立了含不同軟巖傾角和厚度比的雙軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了傾角、厚度比及圍壓對(duì)含薄層硬巖的軟弱夾層試樣強(qiáng)度和破壞規(guī)律的影響. 張澤林等［17］通過(guò)三軸不排水剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了不同傾角軟弱夾層試樣的剪切力學(xué)特性及其剪切破壞特征. 張曉平等［18］采用PFC2D軟件，通過(guò)數(shù)值模型試驗(yàn)對(duì)不同軟弱夾層幾何參數(shù)試樣進(jìn)行加載模擬，探討了不同夾層厚度及不同傾角條件下試樣的破壞過(guò)程和破壞形式. 范昊天等［19］以蘇州市清明山關(guān)閉礦區(qū)礦山滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，基于顆粒流程序?qū)吰率Х€(wěn)破壞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞過(guò)程和滑移機(jī)理進(jìn)行了分析和研究.

本研究在顆粒流程序中對(duì)不同結(jié)構(gòu)面形態(tài)的含軟弱夾層巖體試樣進(jìn)行數(shù)值模擬剪切試驗(yàn)，分析了粗糙度和法向應(yīng)力對(duì)試樣峰值強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度的影響，并從微觀角度分析了試樣的起裂特征和裂紋擴(kuò)展途徑.

1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水泥砂漿具有與巖石相近的強(qiáng)度和破壞特征，被廣泛用于制作節(jié)理直剪試樣. 本研究將P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥、河砂和自來(lái)水按質(zhì)量比為1∶3∶0.7的比例配制成硬巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為20.16 MPa. 為了確保相似材料的均勻性，采用篩網(wǎng)過(guò)濾細(xì)砂得到平均粒徑為1 mm的干燥細(xì)砂顆粒. 為了減小試驗(yàn)結(jié)果的離散型，試驗(yàn)中軟弱夾層采用石膏和水的混合物作為相似材料，經(jīng)過(guò)反復(fù)配比，最終確定相似材料中水和石膏的質(zhì)量比為0.4∶1.

利用3D打印技術(shù)制作鋸齒狀插片模板，其有效尺寸為150 mm×145 mm×5 mm（長(zhǎng)×寬×高）. 插片模板的起伏角均為45°，起伏高度分別設(shè)置為5、10、15、20、25 mm. 采用預(yù)置裂隙法垂直插入插片，分別制備出5種不同壁面粗糙度的含軟弱夾層巖體試樣，試樣尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm（長(zhǎng)×寬×高），插片模板起伏高度越高，其對(duì)應(yīng)的試樣壁面粗糙度越大. 每種級(jí)別粗糙度的試樣均制作3個(gè)，共計(jì)15個(gè)試樣. 采用S-h的命名方式對(duì)各組試樣進(jìn)行編號(hào)，其中h指插片模板的起伏高度，如起伏高度為5 mm的模板被編號(hào)為S-5.

試驗(yàn)遵循《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［20］的規(guī)定，分別在1.0、2.0、3.0、4.0 MPa的法向應(yīng)力和0.1 mm/s的剪切速度下用YZ-30B數(shù)顯式剪切儀對(duì)15個(gè)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試樣剪切模型如圖1所示.

圖1 含軟弱夾層巖體試樣的制備過(guò)程及剪切模型Fig.1 Preparation process and shear model of rock mass specimen with weak interlayer

2 數(shù)值模擬微觀參數(shù)的確定

使用PFC2D離散元軟件建立數(shù)值模型. 通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)分析含軟弱夾層巖體試樣的剪切力學(xué)性質(zhì)和變形特征. 通過(guò)反復(fù)試錯(cuò)，最終確定數(shù)值模型中各材料的微觀參數(shù)取值（表1）. 試樣上下盤以及軟弱夾層內(nèi)的顆粒之間使用平行黏結(jié)接觸模型進(jìn)行模擬，壁面處設(shè)置為光滑節(jié)理接觸模型.

表1 數(shù)值模型中各材料的微觀參數(shù)Tab.1 Microparameters of materials in the numerical model

峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度是表征巖體強(qiáng)度特征的兩個(gè)重要參數(shù). 由表2可知，通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的試樣強(qiáng)度普遍比通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)得到的試樣強(qiáng)度要小，推測(cè)是制備試樣時(shí)壓密不緊實(shí)、有瑕疵，或是試驗(yàn)過(guò)程中損傷裂紋破壞再平衡、試樣的膠結(jié)變化等問(wèn)題導(dǎo)致試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增加. 但是總體而言，室內(nèi)直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)得出的結(jié)果相差不大，兩者之間差值比的絕對(duì)值均小于10%，說(shuō)明所確定的數(shù)值模型中各材料的微觀參數(shù)取值比較合理，微觀參數(shù)取值能有效還原試樣在室內(nèi)直剪試驗(yàn)中的強(qiáng)度變化和變形特征.

峰值強(qiáng)度是衡量巖體試樣抗剪切能力的重要指標(biāo)，根據(jù)表2可知，試樣的殘余強(qiáng)度總小于其峰值強(qiáng)度，這是因?yàn)樵谥苯蛹羟羞^(guò)程中，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的黏聚力最大，一旦突破這一狀態(tài)，試樣的黏聚力會(huì)逐漸減小，當(dāng)達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)，試樣的黏聚力為0，即峰值強(qiáng)度需要克服巖體內(nèi)部的黏聚力和由正應(yīng)力引起的摩擦力，而殘余強(qiáng)度僅需克服由正應(yīng)力引起的摩擦力.

表2 室內(nèi)直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Results comparison of indoor direct shear test and numerical simulation test

3 結(jié)果與分析

3.1 粗糙度和法向應(yīng)力對(duì)含軟弱夾層巖體試樣強(qiáng)度的影響

為了探究粗糙度對(duì)含軟弱夾層巖體試樣強(qiáng)度的影響，在不同法向應(yīng)力作用下，通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)獲得了5組不同粗糙度的含軟弱夾層巖體試樣的切向應(yīng)力-切向位移曲線，如圖2所示. 根據(jù)圖2和表2可知，在1.0 MPa法向應(yīng)力作用下，各組試樣的切向應(yīng)力峰值范圍為1.1～2.9 MPa，其中S-5試樣峰值強(qiáng)度為1.1 MPa，其余各組試樣的峰值強(qiáng)度均大于1.8 MPa，且S-5試樣的殘余應(yīng)力也明顯小于其他組試樣的殘余應(yīng)力，除了S-5試樣外，其余各組試樣的殘余應(yīng)力差異較??；在2.0 MPa法向應(yīng)力作用下，各組試樣的切向應(yīng)力峰值范圍為1.8～4.7 MPa，其中S-15試樣比其他組試樣更晚進(jìn)入彈性階段，各組試樣的殘余應(yīng)力和峰值應(yīng)力均隨著試樣粗糙度的增加而增大；在3.0 MPa法向應(yīng)力作用下，各組試樣的切向應(yīng)力峰值范圍為2.1～5.3 MPa，各組試樣的殘余應(yīng)力和粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系，即粗糙度越大的試樣，其殘余應(yīng)力也越大；在4.0 MPa法向應(yīng)力作用下，各組試樣的切向應(yīng)力峰值范圍為1.3～5.7 MPa，其中S-25試樣的起裂時(shí)間明顯比其他組試樣要早，各組試樣的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力均與試樣粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系. 以上結(jié)果說(shuō)明，巖體試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均會(huì)隨試樣粗糙度和法向應(yīng)力的增加而增大，分析原因可能是：對(duì)于不同壁面形態(tài)的巖體試樣而言，隨著壁面起伏高度的增加，壁面具備的摩擦系數(shù)也會(huì)隨之增大，則巖體試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均會(huì)隨之增加；在不同法向應(yīng)力作用下，試樣所受的摩擦力會(huì)隨著法向應(yīng)力的增加而增大，因此試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均會(huì)隨著法向應(yīng)力的增加而增加.

圖2 不同法向應(yīng)力作用下各組試樣的切向應(yīng)力-切向位移曲線Fig.2 Tangential stress-tangential displacement curve of each group of samples under different normal stresses

3.2 剪切變形微觀響應(yīng)特征

3.2.1 直剪試驗(yàn)微裂紋發(fā)育特征

圖3為通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的各組試樣在2.0 MPa法向應(yīng)力作用下的裂紋數(shù)量隨切向位移的變化曲線. 從圖3可以看出，當(dāng)切向位移為0.4～0.6 mm時(shí)，多組試樣出現(xiàn)張裂紋；當(dāng)切向位移為1.0～1.4 mm時(shí)，多組試樣出現(xiàn)剪裂紋，這說(shuō)明含軟弱夾層的巖體出現(xiàn)張裂紋和剪裂紋的時(shí)間并不完全一致，且剪裂紋出現(xiàn)的時(shí)刻稍遲于張裂紋出現(xiàn)的時(shí)刻. 同時(shí)，從圖3可知，各組試樣的剪裂紋數(shù)量遠(yuǎn)低于張裂紋數(shù)量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，張裂紋數(shù)量占總裂紋數(shù)量的77.1%～92.4%，說(shuō)明含軟弱夾層巖體試樣在剪切過(guò)程中，以受拉應(yīng)力為主，剪應(yīng)力僅存在于試樣壁面和軟弱夾層的尖端處，在尖端處應(yīng)力容易集中從而產(chǎn)生剪切破壞. 試樣S-5和試樣S-10的張裂紋數(shù)量均在切向位移為1.5～2.5 mm之間突然增加，并且至破壞后不再增加；試樣S-15分別在切向位移為1.4、2.7、3.5 mm處出現(xiàn)3個(gè)穩(wěn)定階段；試樣S-20有3個(gè)穩(wěn)定階段，分別是在切向位移為1.4、2.9、3.3 mm處，且前2個(gè)增加階段的持續(xù)時(shí)間均較短；試樣S-25有4個(gè)穩(wěn)定階段，分別是在切向位移為1.5、3.0、3.5、4.3 mm處，且在1.5、3.0 mm處的增加階段的持續(xù)時(shí)間均較短. 由此可知，試樣的破壞階段隨著粗糙度的增大而逐漸增加，同時(shí)裂紋的數(shù)量也和粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系，分析原因可能是，粗糙度增加了試樣的接觸面積和抗剪強(qiáng)度，使得切向應(yīng)力對(duì)軟弱夾層和壁面的作用更加明顯.

圖3 在2.0 MPa法向應(yīng)力作用下各組試樣的裂紋數(shù)量隨切向位移的變化曲線Fig.3 Crack number change of each group of samples with the tangential displacement under the action of 2.0 MPa normal stress

根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)中裂紋的破壞過(guò)程可知，試樣中較大的裂紋主要由眾多微裂紋互相延伸貫通而成的. 通過(guò)觀察不同時(shí)間步長(zhǎng)下的試樣形態(tài)發(fā)現(xiàn)，各組試樣的破壞都是沿著最薄弱的軟弱夾層開始產(chǎn)生裂紋，且主要以短小的裂紋為主，裂紋密集分布在結(jié)構(gòu)面上、下盤凸起處和結(jié)構(gòu)面中間的位置，從而會(huì)促使軟弱夾層發(fā)生位移錯(cuò)斷；各組試樣的裂紋以張裂紋為主，剪裂紋數(shù)量非常少，且剪裂紋主要集中于壁面和軟弱夾層相交的凸起尖端處.

3.2.2 接觸應(yīng)力分布特征

通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了各組試樣在2.0 MPa法向應(yīng)力作用下破壞后的接觸應(yīng)力分布特征，結(jié)果如圖4所示. 圖中藍(lán)色部分代表巖體間的接觸應(yīng)力，綠色部分代表軟弱夾層之間的接觸應(yīng)力，紅色部分代表巖體和軟弱夾層接觸部分的接觸應(yīng)力，圖中線的粗細(xì)代表接觸應(yīng)力的大小.

圖4 各組試樣在2.0 MPa法向應(yīng)力作用下破壞后的接觸應(yīng)力分布特征Fig.4 Contact stress distribution characteristics of each group of samples under 2.0 MPa normal stress after failure

由圖4可知，較粗的線條集中于軟弱夾層和結(jié)構(gòu)面附近，說(shuō)明試樣破壞后，接觸應(yīng)力分布于軟弱夾層以及結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層接觸的部分，但也不是完全均勻分布，越向試樣中部靠近的部分接觸應(yīng)力越密集，同時(shí)接觸應(yīng)力和切向應(yīng)力的夾角都集中在30°～60°之間. 對(duì)不同粗糙度的試樣而言，其接觸應(yīng)力的集中方式略有不同. 在切向應(yīng)力的作用下，相同法向應(yīng)力作用下的試樣的接觸應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度有很大的不同，隨著粗糙度的逐漸增大，接觸應(yīng)力逐漸向法向應(yīng)力的方向靠近，因?yàn)榇植诙仁且云鸱叨茸鳛楹饬繕?biāo)準(zhǔn)的，所以粗糙度越大的試樣，其壁面表面起伏的高度越高，則法向應(yīng)力作用的路徑就越長(zhǎng)，從而使得接觸應(yīng)力最終向法向應(yīng)力方向靠攏. 通過(guò)以上分析可推測(cè)，含軟弱夾層巖體試樣的裂紋起裂位置集中于試樣的中部，并由試樣的中部向試樣的上下盤延伸，和接觸應(yīng)力的分布具有相似性.

3.2.3 顆粒移動(dòng)特征

圖5為試樣S-5、S-10、S-15和S-20破壞后，其軟弱夾層附近的顆粒位移矢量圖，其中綠色部分為破壞后的軟弱夾層顆粒，箭頭為軟弱夾層上、下兩側(cè)的位移矢量，箭頭大小代表了位移的大小. 切向應(yīng)力的初始方向規(guī)定為水平向右，試樣破壞后可以觀察到：軟弱夾層附近的顆粒位移矢量發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，靠近結(jié)構(gòu)面上盤一側(cè)的顆粒位移矢量向右上方偏轉(zhuǎn)，靠近結(jié)構(gòu)面下盤一側(cè)的顆粒位移矢量向左下方偏轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)面上下盤處的顆粒位移矢量方向偏轉(zhuǎn)較大且方向相反，這說(shuō)明試樣壁面上的顆粒在剪切過(guò)程是向相反方向運(yùn)動(dòng)的，會(huì)產(chǎn)生拉張的效應(yīng)，從而導(dǎo)致試樣在直剪試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的主要是張裂紋.

圖5 顆粒位移矢量圖Fig.5 The vector diagram of particle displacement

從圖5還可以看出，粗糙度較大的試樣的顆粒位移矢量集中在遠(yuǎn)離軟弱夾層的根部，而粗糙度較小的試樣的顆粒位移矢量則集中在軟弱夾層附近，這也從微觀角度證明了在室內(nèi)直剪試驗(yàn)中，粗糙度較大的試樣主要發(fā)生啃斷型破壞，粗糙度較小的試樣主要發(fā)生磨蝕型破壞這個(gè)結(jié)論是合理的.

4 結(jié)論

利用顆粒流離散元軟件PFC2D，通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了不同粗糙度和不同法向應(yīng)力對(duì)含軟弱夾層巖體試樣的強(qiáng)度和變形的影響，并從微觀角度分析了試樣的裂紋發(fā)育特征、接觸應(yīng)力分布特征、顆粒移動(dòng)特征，得出結(jié)論如下：

1）試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著試樣粗糙度和法向應(yīng)力的增加而增加，其中粗糙度對(duì)試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的影響最大，法向應(yīng)力次之，結(jié)構(gòu)面壁面強(qiáng)度的影響最小.

2）試樣微裂紋起裂的位置集中在軟弱夾層和結(jié)構(gòu)面相交的位置，尤其是在試樣中部壁面的凸起位置處，該處是試樣最薄弱的位置. 裂紋以張裂紋為主，剪裂紋數(shù)量較少.

3）粗糙度較小的試樣以磨蝕型破壞為主，微裂紋難以發(fā)育成宏觀裂紋；粗糙度較大的試樣主要發(fā)生啃斷型破壞. 試樣的接觸應(yīng)力分布特征和顆粒移動(dòng)特征均表明，試樣的破壞受到法向應(yīng)力的影響，法向應(yīng)力越大，對(duì)試樣的破壞作用越明顯.