單軸壓縮條件下巖溶化裂隙巖體損傷破壞特征研究*

熊紹真 史文兵 王小明

(①貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025，中國)

(②貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室，貴陽 550025，中國)

0 引 言

巖溶化裂隙巖體是地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)物(陳慶發(fā)等，2019)，完整巖石被各種節(jié)理面、斷層等結(jié)構(gòu)面交錯切割，從而形成具有初始損傷的裂隙巖體(唐紅梅等，2016；劉學(xué)偉等，2018)。由于結(jié)構(gòu)面在巖石基元內(nèi)部的分布規(guī)律復(fù)雜，直接導(dǎo)致了裂隙巖體力學(xué)行為、損傷演化特征以及破壞機制的復(fù)雜性(袁小清等，2015)。因此，裂隙巖體的宏觀巖體力學(xué)特征和破壞機理因內(nèi)部裂隙的空間分布、密度以及尺寸的隨機分布而變得復(fù)雜，再加上天然作用下的溶蝕損傷作用，使得裂隙巖體的細觀損傷演化特征存在巨大差異(張社榮等，2017)。因此，巖溶化裂隙巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究具有重要的實踐意義，不僅能為工程建設(shè)提供準(zhǔn)確可靠的參數(shù)，還能為巖溶崩滑災(zāi)害的評價與預(yù)防提供更加合理的依據(jù)，修正現(xiàn)有的穩(wěn)定性評價模型。

受溶蝕以及存在裂隙的巖體往往有不良的力學(xué)性質(zhì)，其損傷破壞過程也會發(fā)生變化，巖溶化裂隙巖體也成為國內(nèi)外研究者的熱點，尤其是采用力學(xué)試驗方法和數(shù)值模擬方法的學(xué)者很多。張社榮等(2012)基于巖體溶蝕損傷演化機制的前人研究成果，將孔隙型巖溶的結(jié)構(gòu)分為蟲洞型和蜂窩型，并采用離散元數(shù)值方法，展開對孔隙型溶蝕巖體的力學(xué)特性研究，得出溶蝕結(jié)構(gòu)特征對力學(xué)影響的關(guān)系，再建立巖溶隨機場，評價了建壩的適應(yīng)性。周欣竹等(2016)通過室內(nèi)物理模擬試驗，研究了不同配比的混凝土在溶蝕作用下的力學(xué)性能的時效性，得出不同配比混凝土的力學(xué)性能均隨溶蝕率的增加而減弱的規(guī)律。馬慶松(2009)，王桂林等(2019)從節(jié)理巖體能量演化的規(guī)律出發(fā)，建立了裂隙巖體損傷演化強度準(zhǔn)則，研究了裂隙巖體的集合損傷以及損傷演化過程，分析了非貫通節(jié)理巖體在單軸壓縮條件下的損傷破壞能量的演化機制。汪杰等(2018)運用損傷力學(xué)理論，驗證了耦合作用下?lián)p傷強度準(zhǔn)則的合理性，同時，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了含有初始損傷的節(jié)理巖體損傷演化方程，揭示了含有初始損傷的節(jié)理巖體的損傷演化規(guī)律。趙海軍等(2019)利用離散元方法建立模型研究了裂隙的發(fā)展規(guī)律。Cao et al.(2019)，Liu et al.(2016)，Mohammadi et al.(2019)分別從聲發(fā)射累計損傷量建立損傷本構(gòu)模型、推導(dǎo)節(jié)理巖體動力損傷本構(gòu)模型以及運用嵌入式不連續(xù)等方法，計算巖石的損傷變量以及裂隙巖體在荷載作用下的新裂隙形成和拓展過程，進而揭示了節(jié)理巖體的損傷破壞機理。

現(xiàn)有成果主要集中于對溶蝕巖體或者裂隙巖體損傷的單獨研究，而對于既有溶蝕作用也存在裂隙的巖體研究不多(Unteregger et al.，2015；鄧正定等，2019；趙東雷等，2019)。而我國西南地區(qū)，廣泛發(fā)育含初始損傷的溶蝕裂隙巖體，其力學(xué)性質(zhì)和破壞特征不同于一般的裂隙巖體，很有必要對該類巖體進行專門研究。就裂隙巖體研究而言，現(xiàn)有研究主要集中于單軸壓縮試驗條件下完整巖石力學(xué)特征研究(姚囝等，2018；韓振華等，2019)。利用能量理論及應(yīng)變等價理論來看巖體損傷破壞特征，一般都認為初始損傷為零。但是對于相對完整的巖石而言，由于天然裂隙的存在，裂隙巖體實際上是具有初始損傷的材料，對其進行損傷演化規(guī)律研究時需考慮初始損傷。若忽略初始損傷的影響，所得到的裂隙巖體損傷演化規(guī)律存在一定的偏差(趙程等，2018；趙建軍等，2018；Yang et al.，2019)。因此，本文以貴州地區(qū)的灰?guī)r作為研究對象考慮裂隙巖體的初始損傷，構(gòu)建單軸壓縮條件下含有初始損傷的裂隙巖體的損傷演化模型，再運用數(shù)值試驗對裂隙巖體損傷演化特征進行深入分析，建立了單軸壓縮條件下含有初始損傷的裂隙巖體的損傷彈性本構(gòu)方程，揭示巖溶化裂隙巖體的損傷演化規(guī)律。

1 裂隙巖體細觀模型構(gòu)建

1.1 平行黏結(jié)模型

平行黏結(jié)模型(Potyondy，2011)有線性鍵和平行健的存在，平行健的存在為顆粒之間提供了模擬巖石材料的力學(xué)行為的可能，在接觸位置，平行健和線性鍵同時發(fā)揮作用。平行健可以看作是一組具有恒定法向剛度和切向剛度的彈簧，均勻地分布在顆粒之間的接觸面上，平行健和線性鍵的彈簧屬性平行作用。接觸鍵創(chuàng)建之后，當(dāng)接觸點發(fā)生相對運動時，接觸中產(chǎn)生了力和力矩，力和力矩反作用在相互接觸的顆粒上，力與力矩的大小與鍵的參數(shù)和作用于鍵的最大法向應(yīng)力和剪應(yīng)力有關(guān)，如果這兩種力超過了所對應(yīng)的鍵的強度，則平行健斷裂，并將接觸鍵中伴隨的力、力矩和剛度移除。

平行黏結(jié)模型中并存兩個組件的力學(xué)行為，第1組件為線性模型組件，在顆粒間的接觸界面上，帶有線性彈性和摩擦界面，能夠攜帶一個力和一個有限的位移，在線性彈性和黏結(jié)面上帶有力和力矩(圖1)。線性模型能夠發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，而產(chǎn)生滑移的條件是施加的剪力超過其極限。第2組件是黏結(jié)模型，它與第1組件平行發(fā)揮作用，當(dāng)?shù)?組件黏結(jié)時，它能夠抵抗相對旋轉(zhuǎn)，其行為是線彈性的，直到超過其強度極限，黏結(jié)斷裂，第2組件失效，平行黏結(jié)模型退化為只有第1組件作用的線性模型。

PFC不能直接賦予材料宏觀力學(xué)參數(shù)，必須通過不斷調(diào)整顆粒間的細觀接觸參數(shù)去匹配反映材料的宏觀力學(xué)特性。當(dāng)施加應(yīng)力超過材料黏結(jié)強度時，黏結(jié)發(fā)生斷裂，其法向和切向?qū)?yīng)的黏結(jié)斷裂部位分別產(chǎn)生拉裂紋和剪裂紋。

1.2 光滑節(jié)理模型

光滑節(jié)理模型(Mehranpour et al.，2017)通過分配節(jié)理兩側(cè)一定范圍內(nèi)的接觸特性來模擬具有剪脹、摩擦或有黏結(jié)節(jié)理的力學(xué)特性。光滑節(jié)理模型中，無論接觸界面是黏結(jié)界面還是膨脹界面，其力學(xué)行為都是線彈性的(圖2)，直到超過其強度極限，黏結(jié)斷裂，光滑節(jié)理模型退化為只具有線性彈性和摩擦特性的線性模型。

光滑節(jié)理模型可簡化為一個彈簧均勻地分布在一個顆粒之間的接觸面上。在接觸面上有：

(1)

(2)

式中：δn和δs分別為法向和切向位移；Fn和Fs分別為法向和切向接觸力。通過迭代計算，得到新的接觸力分量：

(3)

(4)

對于具有黏結(jié)特性的節(jié)理而言，如果接觸上法向應(yīng)力小于其抗拉強度，則節(jié)理不會發(fā)生拉伸破壞，否則節(jié)理黏結(jié)斷裂，產(chǎn)生拉裂紋。當(dāng)分配到接觸上的切向應(yīng)力超過其抗剪強度之后，則黏結(jié)斷裂，產(chǎn)生剪裂紋。

2 細觀參數(shù)匹配

2.1 灰?guī)r細觀參數(shù)的確定

本文的巖溶化裂隙巖體的研究是以貴州地區(qū)的灰?guī)r作為研究對象，旨在從巖溶化裂隙巖體損傷演化的角度，分析巖溶化裂隙巖體的起裂和變形破壞機制。以裂隙灰?guī)r的室內(nèi)單軸壓縮試驗所獲得力學(xué)參數(shù)作為基礎(chǔ)參數(shù)，統(tǒng)計出貴州某地區(qū)的隨機裂隙，通過直剪試驗獲取其參數(shù)，作為巖溶化裂隙巖體的裂隙參數(shù)。再采用平行黏結(jié)模型和光滑節(jié)理模型重構(gòu)巖溶化裂隙巖體模型，同時進行參數(shù)標(biāo)定即通過數(shù)值單軸壓縮試驗和結(jié)構(gòu)面直剪試驗匹配出與宏觀參數(shù)相應(yīng)的細觀參數(shù)(石崇等，2018)。

為了獲取灰?guī)r單軸壓縮力學(xué)參數(shù)，在實驗室對灰?guī)r塊體進行取芯，剔除結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育和具有明顯瑕疵的試樣，并打磨成50mm×100imm的標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r試樣。

單軸壓縮試驗采用應(yīng)力控制，控制速率為0.5～1iMPa之間，得到灰?guī)r試樣試驗結(jié)果(圖3)。從圖中可以看出，灰?guī)r具有較高的抗壓強度，且壓密階段較長，最終灰?guī)r破壞形式呈現(xiàn)出脆性拉破壞(圖4)。

灰?guī)r單軸壓縮試驗結(jié)果表明：灰?guī)r試樣的抗壓強度、彈性模量和泊松比分別為171.06iMPa、21.55GPa和0.19，后面的灰?guī)r試樣的細觀參數(shù)標(biāo)定需要用到這些宏觀力學(xué)試驗參數(shù)。

在充分考慮裂隙巖體的尺寸效應(yīng)后，確定了數(shù)值模擬試驗的試樣為直徑2im，高徑比為2的圓柱體試樣(2D)，用于模擬灰?guī)r(圖5)。顆粒粒徑為1～1.66icm，顆粒數(shù)量為12392個，顆粒之間采用平行黏結(jié)接觸模型，選用墻體作為試樣的加載板，設(shè)置墻體與顆粒之間的接觸模型為線性接觸模型，且設(shè)置摩擦系數(shù)為0。

數(shù)值模型頂部和底部加載速率都是0.05im·s-1，期間需要對應(yīng)力、軸向應(yīng)變以及泊松比的變化情況進行監(jiān)測，再捕捉最大抗壓強度，并在1/2UCS±1iMPa區(qū)間內(nèi)取值計算試樣的彈性模量，最后匹配灰?guī)r試樣室內(nèi)單軸壓縮試驗結(jié)果，模擬結(jié)果見圖6?；?guī)r數(shù)值模擬試驗得到的單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比分別為168.06iMPa、21.60GPa和0.19，對比灰?guī)r數(shù)值模型試驗和室內(nèi)試驗兩者結(jié)果，力學(xué)參數(shù)以及破壞方式具有高度的相似性，說明數(shù)值試驗得到的灰?guī)r細觀參數(shù)(表1)具有很好的代表性，可以描述灰?guī)r的力學(xué)行為。

表1 灰?guī)r細觀參數(shù)Table 1 Limestone mesoscopic parameters

2.2 結(jié)構(gòu)面細觀參數(shù)的確定

結(jié)構(gòu)面直剪試驗結(jié)果表明：試樣結(jié)構(gòu)面的黏聚力c為0.766iMPa，內(nèi)摩擦角φ為39°，且表現(xiàn)出典型的結(jié)構(gòu)面剪切破壞特征(圖7)。以上結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)面細觀參數(shù)標(biāo)定的依據(jù)。

數(shù)值試驗采用2im×2im的試樣用于模擬結(jié)構(gòu)面直剪試驗(圖8)，顆粒粒徑為1～1.66icm，顆粒的數(shù)量為12392個，在試樣中間預(yù)制一條貫穿的裂隙，顆粒與剪切盒之間采用線性模型接觸，且摩擦系數(shù)為0。

光滑節(jié)理模型參數(shù)進行標(biāo)定時，采用與灰?guī)r試樣同樣的標(biāo)定方法，直到獲取與室內(nèi)結(jié)構(gòu)面直剪試驗較為接近的參數(shù)為止。試驗時先對試樣施加豎向正應(yīng)力，然后對上剪切盒以恒定0.05im·s-1的速度進行剪切，模擬剪切試驗，得到不同正應(yīng)力條件下的峰值剪切強度，并擬合結(jié)構(gòu)面包絡(luò)線(圖9)。從圖中可以看出模擬得到的結(jié)構(gòu)面黏聚力為0.416iMPa，內(nèi)摩擦角為41.5°，模擬試驗結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果較為接近，說明模擬試驗得到的細觀結(jié)構(gòu)面參數(shù)(表2)具有很好的代表性，能夠準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)面的力學(xué)行為。

表2 灰?guī)r結(jié)構(gòu)面細觀參數(shù)Table 2 Mesoscopic parameters of limestone structural plane

3 巖溶化裂隙巖體損傷演化方程

3.1 巖溶化裂隙巖體初始損傷

溶蝕以及節(jié)理面的存在導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，強度減弱、彈性模量降低，就完整巖石而言，巖溶化裂隙巖體含初始損傷。定義初始損傷為：

(5)

式中：Eδ是巖溶化裂隙巖體的彈性模量；E0代表完整巖石的彈性模量；δ代表不同的溶蝕率。

在巖體受荷載損傷的研究中，統(tǒng)計學(xué)角度的研究可以很好地解釋巖體內(nèi)部在外荷載作用下產(chǎn)生的各種隨機分布的細觀損傷。基于巖體應(yīng)變等價和巖體微元的隨機性，結(jié)合威布爾分布建立了損傷概率模型(張慧梅等，2017)，得出概率密度函數(shù)為：

(6)

式中：ε為巖體單軸壓縮下的應(yīng)變量；m、ε0為分布參數(shù)。

加載過程中巖體應(yīng)變達到ε時，其受荷載損傷變量函數(shù)為：

(7)

基于等效應(yīng)變原理(張世文，2009), 推導(dǎo)出荷載作用下完整巖體的損傷的本構(gòu)方程式：

σ=(1-Ds)E0ε1

(8)

式中：Ds代表巖體受荷載損傷變量。

巖溶化裂隙巖體具有初始損傷，對其進行壓縮加載，得到損傷本構(gòu)模型為(張慧梅等，2011)：

σ=(1-Ds)Eδε1

(9)

聯(lián)合式(5)和式(9)得到具有初始損傷和荷載損傷耦合狀態(tài)下的巖溶化裂隙巖體本構(gòu)關(guān)系：

σ=(1-Ds)(1-Dδ)E0ε1

(10)

由式(10)即可得到耦合狀態(tài)下巖溶化裂隙巖體總損傷變量為：

D=Dδ-Ds-DδDs

(11)

將式(5)和式(7)代入式(11)可得損傷演化方程：

(12)

式(12)即為裂隙巖體在壓縮條件下的總損傷演化方程。

由式(12)可知，對于完整巖石而言，Eδ=E0即Dδ=0，得到D=Dδ；而對于具有初始損傷的巖溶化裂隙巖體試樣，初始時ε=0，從而D=Dδ。

3.2 巖溶化裂隙巖體的損傷本構(gòu)模型

將式(10)和式(11)聯(lián)立，得到巖溶化裂隙巖體單軸壓縮條件下的損傷本構(gòu)模型為：

σ=E0(1-D)ε1

(13)

假定受壓試件服從巖石應(yīng)變強度理論(Guo et al.，2017)，將式(12)代入式(13)，得到巖溶化裂隙巖體在單軸壓縮條件下的損傷本構(gòu)模型為：

(14)

根據(jù)前人研究成果，需要滿足巖溶化裂隙巖體試件在單軸壓縮條件下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值處的條件(汪杰等，2019)，經(jīng)處理得到下式：

(15)

(16)

式中：σf和εf為巖溶化裂隙巖體試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力和應(yīng)變值。

分別將式(15)和式(16)代入式(12)和式(14)，即可得到巖溶化裂隙巖體的損傷演化模型和損傷本構(gòu)方程。

4 巖溶化裂隙巖體損傷特征分析

4.1 巖溶化裂隙巖體模型建立

定義溶蝕率為溶蝕面積與完整灰?guī)r試樣面積之比，采用元胞自動機方法建立溶蝕率從0～25%的灰?guī)r試樣孔隙型溶蝕模型(圖10)，開展與標(biāo)定試驗同樣工況的單軸壓縮試驗，獲取不同溶蝕率情況下的巖溶灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)。

在研究區(qū)，巖溶是一種初始損傷，很大程度劣化灰?guī)r試樣的力學(xué)性質(zhì)；裂隙也是一種初始損傷，也是灰?guī)r力學(xué)參數(shù)劣化的重要因素。首先統(tǒng)計研究區(qū)的裂隙分布，再獲取裂隙的分布規(guī)律，然后根據(jù)分布建立裂隙模型。研究區(qū)裂隙主要包括層理和兩組節(jié)理，而本文是進行巖溶化裂隙巖體二維模型的研究，故舍棄平行于本統(tǒng)計剖面的一組節(jié)理，只針對層理和一組節(jié)理進行分布統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。

假設(shè)計算得到裂隙單位長度裂隙數(shù)量節(jié)理(P10)為7，層理(P10)為6，根據(jù)裂隙的P10特征，在充分考慮巖體尺寸效應(yīng)后，建立上述的表征單元體(REV)灰?guī)r試樣。其中層理跡長為貫穿巖體的全跡長，產(chǎn)狀為215°∠12°，故層理只統(tǒng)計間距分布，基于統(tǒng)計結(jié)果建立巖溶化裂隙灰?guī)r模型(圖12)。

4.2 巖溶化裂隙巖體損傷演化特征分析

開展對上述所建立模型的單軸壓縮數(shù)值試驗，得到巖溶化裂隙巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。在溶蝕率較大的情況下，灰?guī)r試樣發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)部受力骨架破壞，橫向變形不明顯。將表3結(jié)果代入式(5)得到不同溶蝕率下初始損傷度的變化規(guī)律(圖13)。從圖中可以明顯看出，隨著溶蝕率的增加，灰?guī)r試樣的初始損傷度隨之增加，溶蝕灰?guī)r較溶蝕裂隙灰?guī)r的初始損傷度在溶蝕率15%以前增加速度快，而后和溶蝕裂隙灰?guī)r一致，增加速度區(qū)域平緩。對于灰?guī)r試樣來說，裂隙的存在，直接導(dǎo)致灰?guī)r試樣具備0.8的初始損傷度，而在溶蝕率達到25%時，損傷度接近1，試樣接近破壞，故初始損傷的存在會進一步劣化巖塊的力學(xué)性能。

表3 巖溶化裂隙巖體力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of mechanical parameters of karst fractured rock mass

將表3中所獲得巖溶化裂隙巖體力學(xué)參數(shù)代入到式(15)和式(16)得到巖溶化裂隙巖體損傷本構(gòu)模型參數(shù)m和ε0。

將表4中所獲得的模型參數(shù)代入式(12)即可計算得到具有不同初始損傷的裂隙灰?guī)r的損傷演化曲線(圖14)。

表4 模型參數(shù)Table 4 Model parameters

從圖14可知，損傷演化曲線在單軸壓縮條件下?lián)p傷的變化規(guī)律都有著相似的規(guī)律。在加載的初始階段，損傷增長緩慢；隨著荷載的增加，儲存在巖體內(nèi)部的應(yīng)變能逐漸釋放，損傷進一步累計，進入快速增長階段；隨后壓縮應(yīng)力達到峰值，試樣破壞，損傷增長速率減緩，直至試樣完全喪失強度，損傷累計也達到1。

對于完整灰?guī)r而言，在荷載作用下，損傷從0開始緩慢增長，同樣在經(jīng)歷緩慢增長階段、加速增長階段、增速減緩階段后損傷值達到1。對于溶蝕灰?guī)r而言，由于存在不同的初始損傷，損傷演化曲線從不同的初始損傷開始損傷演化發(fā)育。初始階段，溶蝕巖體在荷載作用下，未被溶蝕部分的骨架顆粒開始朝著溶蝕空洞的臨空區(qū)域變形，巖體處于壓密階段，損傷緩慢增加；加速增長階段，由于初始損傷的存在，試樣破壞時的應(yīng)變提前，試樣發(fā)生起源于溶蝕空洞的拉破壞和剪切破壞，直至達到其峰值強度；損傷增速減緩階段，試樣破壞進入峰后階段，損傷持續(xù)累計直至達到1。

對比溶蝕灰?guī)r和溶蝕裂隙灰?guī)r，其損傷演化規(guī)律基本相似，均經(jīng)歷緩慢增長階段、加速增長階段和增速減緩階段。但溶蝕裂隙灰?guī)r具有更多的初始損傷，且隨著溶蝕率的增加總體表現(xiàn)出破壞點前移的現(xiàn)象。就只存在裂隙的巖體而言，在單軸壓縮荷載的作用下，同樣經(jīng)歷損傷演化的3個階段，但是其加速增長階段的損傷增長速率最快。試驗現(xiàn)象與本文所構(gòu)建的損傷演化模型表現(xiàn)出高度的吻合，說明該模型具有一定的合理性。

4.3 巖溶化裂隙巖體損傷特征分析

4.3.1 具有不同初始損傷性質(zhì)的巖體損傷特征分析

由圖15可知，對比完整巖石，具有5%溶蝕初始損傷和裂隙初始損傷的巖體的力學(xué)性質(zhì)被不同程度地劣化，其在單軸壓縮條件下的峰值應(yīng)力分別為67.34iMPa和67.89iMPa，且兩種初始損傷劣化巖體性質(zhì)的程度相近。但裂隙初始損傷對巖體具有明顯的軟化效應(yīng)，使得峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變明顯增加至1.7%，從而導(dǎo)致裂隙巖體的彈性模量劣化至完整巖體的20.0%，故裂隙巖體具備了0.8的初始損傷。

對于完整巖石來說，在單軸壓縮試驗下的主要破壞形式為壓致拉破壞，伴隨著少量的剪切破壞，與室內(nèi)試驗所表現(xiàn)出的破壞形式接近。當(dāng)巖體具有5%初始損傷時，破壞行為由完整巖石下的拉破壞轉(zhuǎn)換為起源于溶蝕孔洞的以剪切破壞為主，伴生拉破壞的破壞形式。對于裂隙巖體而言，由于裂隙的存在，在開始加載的初期，所表現(xiàn)出的就是沿著裂隙的拉破壞和剪破壞，即對外界的干擾表現(xiàn)出了靈敏的反饋；在繼續(xù)加載過程中，靠著僅存的裂隙面的摩擦特性支撐，導(dǎo)致了裂隙巖體具有更大的應(yīng)變，最終發(fā)生伴隨有結(jié)構(gòu)面破壞和巖塊整體破壞，且所表現(xiàn)出的破壞形式與裂隙巖體邊坡失穩(wěn)破壞形式一致。由圖15中可以看出，對于試件的累計破壞數(shù)，裂隙巖體試件也表現(xiàn)出了在加載初期裂隙增長速率劇增的性質(zhì)。當(dāng)加載開始時累計破壞數(shù)迅速增長至2800次左右，這都是裂隙在加載條件下的迅速破壞的結(jié)果。當(dāng)應(yīng)力達到峰值后，巖塊發(fā)生局部破壞，累計破壞數(shù)再次增加，直至試樣完全破壞，這與上述在加載初期裂隙面就迅速破壞的結(jié)論一致。而對于完整巖石和溶蝕率5%試樣而言，累計裂隙數(shù)的變化規(guī)律符合常規(guī)試件破壞的特征，經(jīng)歷裂隙壓密階段、彈性階段、穩(wěn)定破裂階段以及不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、最后完全破壞。在進入不穩(wěn)定破裂階段后，累計破壞數(shù)也隨之劇增，直至試樣完全破壞。

4.3.2 不同溶蝕率巖溶化裂隙巖體損傷特征分析

由圖16和圖17可以得出：對于不同溶蝕率的試樣，在單軸壓縮模擬試驗中抗壓強度總體上都隨著溶蝕率的增加而降低，溶蝕率越高，則具有的初始損傷越大。當(dāng)溶蝕率≥10%時，溶蝕灰?guī)r和溶蝕裂隙灰?guī)r的初始損傷分別為0.6和0.89，前者強度略比后者要高，但是兩者的強度隨著溶蝕率的增加降低并不明顯。隨著溶蝕率的增加，巖體所表現(xiàn)出來的力傳遞的各向異性特征明顯。溶蝕率增加，直接導(dǎo)致了試樣內(nèi)部的有效接觸減少，試樣的破壞也主要集中在溶蝕孔洞周圍，破壞后的碎裂特征也隨之減弱。因此，對于溶蝕巖體而言，少量的局部破壞會導(dǎo)致試樣整體發(fā)生破壞。溶蝕裂隙灰?guī)r溶蝕率越大，巖體異構(gòu)特征就越明顯，所表現(xiàn)出的各向異性特征就越明顯。在加載的初始階段，溶蝕裂隙灰?guī)r主要沿著裂隙發(fā)生破壞，導(dǎo)致加載初期的累計破壞數(shù)陡增，而當(dāng)裂隙部分破壞后，裂隙部位靠著摩擦力將應(yīng)力分配到巖塊上，應(yīng)力開始重新分布，裂隙巖體具有一定的強度，最后部分巖塊破壞，試樣也就隨之發(fā)生整體破壞。值得注意的是裂隙巖體在破壞后更容易具備較高的殘余強度，這與自然界中常見的裂隙巖質(zhì)邊坡類似(在自然條件發(fā)生改變時，巖體沿著原生裂隙發(fā)生破壞，但仍然能夠在自然工況下保持穩(wěn)定)。而溶蝕灰?guī)r的累計破壞數(shù)分布特征則與實驗室聲發(fā)射累計振鈴數(shù)一致，雖然溶蝕也是造成巖體損傷的重要原因，但是其發(fā)生機理主要是減少巖體內(nèi)部的有效黏結(jié)。在加載初期由僅存的未溶蝕骨架承擔(dān)應(yīng)力的傳遞，同樣在經(jīng)歷巖體破壞的典型5個階段后宣告整體破壞，也就是說其破壞數(shù)的累計發(fā)生在穩(wěn)定破裂階段，而不是同裂隙巖體在加載初期就發(fā)生破壞。

對于完整裂隙灰?guī)r來說，在單軸壓縮試驗下的主要破壞形式為壓致拉破壞，伴隨著少量的剪切破壞，主要是沿著裂隙發(fā)生破壞。而溶蝕裂隙灰?guī)r的破壞行為由完整裂隙灰?guī)r下的拉破壞轉(zhuǎn)換為起源于溶蝕孔洞的以剪切破壞為主，伴生拉破壞的破壞形式。溶蝕裂隙灰?guī)r的破壞主要集中在溶蝕孔洞周圍，破壞后的碎裂特征也隨之減弱，少量的局部破壞就會導(dǎo)致試樣整體發(fā)生破壞。溶蝕裂隙灰?guī)r溶蝕率越大，巖體異構(gòu)特征就越明顯，所表現(xiàn)出的各向異性特征就越明顯。

4.3.3 巖溶化裂隙巖體損傷破壞的微觀特征分析

在巖溶化裂隙巖體的單軸壓縮數(shù)值試驗中，拉裂隙主要以平行于加載方向的劈裂形式出現(xiàn)，軸向劈裂的出現(xiàn)則是源自于巖體中微裂隙或者微損傷部位的橫向拉伸應(yīng)力。在理想狀態(tài)下，加載初期這種具有初始微裂隙數(shù)量的線性彈性體的力學(xué)行為的確符合線彈性斷裂力學(xué)。當(dāng)然，這種被拉應(yīng)力反作用的部位由于受到壓力的作用其力學(xué)強度反而會得到加強，即巖體出現(xiàn)的應(yīng)變硬化線性就是基于此原理。由圖18可知，在壓縮荷載的作用下，裂隙灰?guī)r骨架溶蝕后的應(yīng)力傳遞是從一個骨架顆粒傳向相鄰的骨架顆粒的，且壓縮力鏈應(yīng)與加載方向平行。但是由于溶蝕的存在造成了巖體內(nèi)部存在“缺陷”，導(dǎo)致力鏈的傳遞也表現(xiàn)出了各向異性的特征，直接表現(xiàn)就是非均質(zhì)力的傳遞致使垂直于加載方向的張裂形成，即壓致拉裂存在的微觀解釋就是巖體內(nèi)部存在異構(gòu)性。

在致密巖體中，宏觀裂隙的萌生通常是源于巖體中已經(jīng)存在的微裂隙或者微損傷本身以及巖體內(nèi)部產(chǎn)生擴容的部位。在溶蝕裂隙巖體中，溶蝕孔洞即為巖體的“缺陷”部位。因此，在壓縮荷載的作用下，裂隙起源于溶蝕孔洞周圍的薄弱位置。峰值應(yīng)力附近，在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下不可逆變形的發(fā)展所包含的微觀特征主要為裂紋的生長和能量的釋放。因此，應(yīng)力作用下，微裂紋表現(xiàn)出多重性，甚至?xí)l(fā)生膨脹和應(yīng)變硬化，這些損傷演化行為都是研究的重要課題。

在荷載作用下，巖溶化裂隙的宏觀破壞主要以拉裂隙為主，伴以部分剪切破壞。微觀力學(xué)角度的解釋就是，破壞階段主要是裂紋的聚集，大量裂隙的聚集依賴于相鄰裂隙之間應(yīng)力場的復(fù)雜的相互作用。因此，具有初始損傷的巖溶化裂隙巖體的微觀破壞特征主要為：由于初始損傷(即“缺陷”)的存在，巖體內(nèi)部產(chǎn)生異構(gòu)性的特征。巖體具有了異構(gòu)性和各向異性，巖體內(nèi)部就產(chǎn)生了由非均質(zhì)力傳遞所引起的垂直于加載方向的張裂，張裂的存在為拉裂隙的發(fā)育提供了可能。同時，巖體內(nèi)部“缺陷”處的薄弱部位存在的潛在微裂紋會局部萌發(fā)，隨著加載的繼續(xù)進行，微裂紋部位在張力的作用下發(fā)生擴容作用，裂隙進一步被拓寬，然后隨著裂隙數(shù)量增加，相鄰微裂紋之間開始發(fā)生力的相互作用，最后裂紋擴展貫通，導(dǎo)致宏觀破壞發(fā)生。

5 結(jié) 論

巖溶化裂隙巖體的初始損傷主要包括溶蝕損傷和裂隙損傷。損傷演化模型能夠很好地反映具有初始損傷的巖溶化裂隙巖體的損傷演化規(guī)律；初始損傷的存在對裂隙巖體也具有明顯的劣化作用。

巖溶化裂隙巖體的初始損傷隨溶蝕率的增加而增加，最終增加速率趨于平緩。巖溶化裂隙巖體的損傷演化曲線均呈“S”型分布，累計損傷先緩慢增加，隨后迅速增長，最后緩慢增加至損傷值為1。巖溶化裂隙巖體的初始損傷造成巖體內(nèi)部的異構(gòu)特征，從而巖體在異構(gòu)力的作用下初始損傷部位的裂紋萌生，裂紋的發(fā)展經(jīng)歷如下4個階段：(1)初始損傷部位的微裂紋萌生，裂紋起源于溶蝕孔洞周圍的薄弱位置；(2)隨著加載的進行，微裂隙發(fā)生擴容和剪切作用；(3)微裂紋長度和數(shù)量增加，相鄰微裂紋之間開始發(fā)生力的相互作用，裂紋逐漸變寬；(4)微裂紋貫通引起的宏觀破壞。

對于不同溶蝕率的裂隙灰?guī)r，抗壓強度總體上都隨著溶蝕率的增加而降低。溶蝕灰?guī)r破壞行為由完整巖石下的拉破壞轉(zhuǎn)換為起源于溶蝕孔洞的以剪切破壞為主、伴生拉破壞的破壞形式；對于裂隙巖體而言，所表現(xiàn)出的就是沿著裂隙的拉破壞和剪破壞。溶蝕灰?guī)r的破壞主要集中在溶蝕孔洞周圍，破壞后的碎裂特征也隨之減弱，少量的局部破壞就會導(dǎo)致試樣整體發(fā)生破壞。溶蝕裂隙灰?guī)r主要沿著裂隙發(fā)生破壞，當(dāng)裂隙部分破壞后，裂隙灰?guī)r具有一定的強度，但是當(dāng)殘余巖塊破壞后，試樣也就隨之發(fā)生整體破壞。