巖體多尺度異質(zhì)性及其力學行為*

蘭恒星 包 含 孫巍鋒 劉世杰

(①長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710064，中國)(②長安大學公路學院，西安 710064，中國)(③中國科學院地理科學與資源研究所，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101，中國)

0 引 言

異質(zhì)性是指物質(zhì)材料在二維或三維空間中展現(xiàn)出的差異化物理、力學與行為特征，具有非均質(zhì)性和各向異性的內(nèi)涵。巖體作為由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的不連續(xù)、非均質(zhì)和各向異性的地質(zhì)體(谷德振，1979)，具有典型的異質(zhì)性特征。巖體異質(zhì)性一般由其內(nèi)部非均勻分布的礦物和多尺度結(jié)構(gòu)面引發(fā)，并致使巖體在不同尺度上表現(xiàn)出復雜的力學行為特征(伍法權(quán)，1993；陳劍平，2001)。因此，考慮尺度因素，對巖體異質(zhì)性力學行為機制進行揭示，將更有利于厘清所研究問題的本質(zhì)。

礦物作為組成巖石的基本單元，是巖體異質(zhì)性形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是誘發(fā)巖體細微觀尺度異質(zhì)性的主體。礦物類型及其非均質(zhì)性，以及晶粒的形狀、大小、方向等所形成的細微觀空間變異控制了裂縫的起裂、聚集和擴展，對巖石的破壞過程有顯著影響(Villeneuve et al.，2012；Zhao et al.，2021)。同時，礦物的組構(gòu)特征在控制巖石各向異性方面也起著重要作用(Zhao et al.，2021)。研究表明，礦物之間的定向排列與膠結(jié)作用形成的異質(zhì)性細觀結(jié)構(gòu)，使巖石的變形破裂及其力學性能表現(xiàn)出明顯的各向異性(唐欣薇等，2018)。而礦物分布的非均質(zhì)性同樣會影響到巖石的各向異性破裂(Na et al.，2017)，這些非均質(zhì)性所產(chǎn)生的影響可以通過礦物強度的異質(zhì)性分布來體現(xiàn)(Tang et al.，1998；Zhu et al.，2004)。由此可見，即便是同一種巖石，其力學表現(xiàn)也可能會有較大差別。以花崗巖為例，在一千多公里的某交通線路廊道沿線，有40%的路段存在花崗巖出露，但不同時期的花崗巖其抗壓強度表現(xiàn)出巨大的差異，如燕山期花崗巖的抗壓強度可以達到喜山期花崗巖的近兩倍(蘭恒星等，2021)(圖1)。作為同一種巖石，花崗巖雖然在礦物組成和物質(zhì)成分上基本相同，但是其礦物顆粒的幾何狀態(tài)以及礦物組合分布特征卻有顯著的差異，從而導致了巖石在宏觀強度上的不同表現(xiàn)(楊振等，2014；蔡青龍等，2015；韓振華等，2019)。因此，在礦物尺度上厘清巖體異質(zhì)性特征，建立細微觀尺度力學分析方法，是破解巖體細微觀乃至宏觀破裂機制的有效途徑。

圖1 不同時期花崗巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

結(jié)構(gòu)面作為組成巖體的另一主要部分，其異質(zhì)性表現(xiàn)更為顯著。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)出狀態(tài)、尺寸、密度、表面形態(tài)等幾何信息以及剪切變形等力學行為均體現(xiàn)了異質(zhì)性，并可引發(fā)巖體在宏觀力學行為上的各向異性表現(xiàn)(Ali et al.，2014)。對于結(jié)構(gòu)面幾何狀態(tài)異質(zhì)性的描述，可通過原位調(diào)查統(tǒng)計，獲得結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的概率密度分布，并以此為基礎(chǔ)建立巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型(伍法權(quán)，1993)。Priest et al.(1976，1981)、潘別桐等(1989)、Wu et al.(2002)、賈洪彪等(2008)、Wang et al.(2016)對不同地區(qū)、不同性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)面的間距、跡長、傾向、傾角、張開度進行調(diào)查研究，建立了不同的巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面跡長多服從負指數(shù)分布和對數(shù)正態(tài)分布，結(jié)構(gòu)面間距和張開度多服從負指數(shù)分布，而結(jié)構(gòu)面傾向和傾角以服從正態(tài)分布為主。結(jié)構(gòu)面形貌同樣是結(jié)構(gòu)面幾何信息的重要組成部分，從粗糙度系數(shù)JRC(Barton et al.，1977)到分形理論的量化應(yīng)用(杜時貴，1997)，學者們針對結(jié)構(gòu)面形態(tài)異質(zhì)性做了大量研究工作。近年來，隨著觀測設(shè)備的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)面形貌的研究也更加深入，開始由二維向三維拓展。三維粗糙度參數(shù)(Grasselli et al.，2003)、形態(tài)綜合參數(shù)(陳世江等，2016)等表征結(jié)構(gòu)面形貌各向異性的特征參數(shù)被提出，同時發(fā)現(xiàn)了同組結(jié)構(gòu)面在某一方向上的形貌參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布的現(xiàn)象(Bao et al.，2020a)，對結(jié)構(gòu)面形貌參數(shù)的各向異性、尺寸效應(yīng)和間距效應(yīng)等也進行了深入的探討(葛云峰等，2016；Xu et al.，2022)。結(jié)構(gòu)面的力學各向異性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)面的剪切行為上，通過研究，已明確結(jié)構(gòu)面的力學各向異性主要受控于結(jié)構(gòu)面的形貌各向異性(Bao et al.，2020b)，但是目前對兩者的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)面力學異質(zhì)性行為演化仍需要開展進一步的研究。

由礦物與結(jié)構(gòu)面所引起的巖體力學行為異質(zhì)性一直是一個備受關(guān)注的研究話題。自Jaeger(1960)提出“單弱面理論”以來，從巖體強度“U”型包絡(luò)線到異質(zhì)性巖體力學參數(shù)的全空間表征(Wu et al.，2021)，對巖體異質(zhì)性力學行為的研究也愈加廣泛和深入。Barton et al.(2015)曾專門撰文闡述了無處不在的巖體各向異性，詳細列舉了巖體在模量、強度、滲透性、地震響應(yīng)、應(yīng)力環(huán)境、RQD等方面的各向異性表現(xiàn)，并將這些表現(xiàn)主要歸結(jié)為地質(zhì)成因。研究表明，巖石的異質(zhì)性、節(jié)理或弱面的分布、應(yīng)力條件、微裂紋力學屬性等導致了巖體在破裂時表現(xiàn)出了更復雜的特征(Feng et al.，1999)。其中：細觀單元力學特性和其非均質(zhì)性不僅共同決定了巖石的異質(zhì)性力學行為特征，而且還會整體弱化巖石的力學性質(zhì)(羅榮等，2012；Fj?r et al.，2014)。應(yīng)用礦物顆粒模型(Grain-based model，GBM)，可以對巖石細微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行準確刻畫，能夠?qū)崿F(xiàn)在考慮巖石微結(jié)構(gòu)及強度非均質(zhì)的條件下，有效模擬巖石加載過程中的宏觀及微觀力學行為表現(xiàn)(Lan et al.，2010；劉黎旺等，2020)。而對于巖體宏觀結(jié)構(gòu)面，無論是室內(nèi)的結(jié)構(gòu)面力學試驗(Qi et al.，2020；Bao et al.，2020b)、現(xiàn)場的大型原位試驗與分析(蘭恒星等，2003b；Agharazi et al.，2012；李深圳等，2018)，還是巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值仿真(陳劍平，2001；張文等，2020)以及基于巖體結(jié)構(gòu)力學的理論探索(郭松峰等，2013；Wu et al.，2020)，均取得了豐富的研究成果，不斷加深著對宏觀結(jié)構(gòu)面異質(zhì)性力學效應(yīng)的認識。然而，面對無處不在的巖體異質(zhì)性問題，揭示巖體異質(zhì)性力學行為表現(xiàn)的研究仍任重道遠。

巖體的異質(zhì)性具有多尺度的內(nèi)涵，在不同尺度下對巖體異質(zhì)性進行探究，成為系統(tǒng)揭示巖體變形破壞機制的先決條件。早在1977年，Barton et al.(1977)在研究結(jié)構(gòu)面剪切強度時，就曾對尺寸效應(yīng)進行過相關(guān)論述。對于單條結(jié)構(gòu)面而言，其各向異性特征與研究范圍大小密切相關(guān)，當研究范圍達到一定尺度時，結(jié)構(gòu)面各向異性特征趨于穩(wěn)定(陳世江等，2015)；而對于結(jié)構(gòu)面的起伏狀態(tài)，其形貌參數(shù)的方向變異程度隨結(jié)構(gòu)面尺寸增大也表現(xiàn)出逐漸減小直至穩(wěn)定的趨勢(洪陳杰等，2020)。相似地，巖體在不同尺度下，其異質(zhì)性也存在顯著的差異化表現(xiàn)(Heok et al.，1980)。以圖2為例，當研究尺度聚焦于矩形區(qū)A時，巖體就是完整的巖塊，只存在微觀尺度異質(zhì)性，甚至能近似看作均質(zhì)體，可用均質(zhì)材料力學理論或微觀尺度異質(zhì)性理論研究相關(guān)問題；在研究尺度逐漸由矩形區(qū)B放大到矩形區(qū)E的過程中，巖體內(nèi)部含有的結(jié)構(gòu)面數(shù)量越來越多，巖體異質(zhì)性變得越來越強，進而需要運用巖體力學的理論方法對相關(guān)問題進行研究。因此，確定能代表巖體性質(zhì)的單元體大小成為了研究尺度效應(yīng)的關(guān)鍵點(周創(chuàng)兵等，1999；陳衛(wèi)忠等，2008)，由此也衍生了一系列描述尺度效應(yīng)的模型(Bazant，1997；Hoek et al.，1997；Masoumi et al.，2016)。值得一提的是，巖體性質(zhì)在不同尺度之間存在有機關(guān)聯(lián)(Lan et al.，2013b)?；诖耍赫俚?2013)提出一種考慮細觀層次、宏觀層次的多尺度巖體工程計算方法，建立了細觀與宏觀力學參數(shù)之間的橋梁。而Kulatilake et al.(2021)也指出，結(jié)構(gòu)面形貌異質(zhì)性在細微觀尺度上的表現(xiàn)，會對宏觀巖體的尺度效應(yīng)產(chǎn)生影響。從研究對象的尺度來看，巖體異質(zhì)性的研究工作主要圍繞細微觀異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)面異質(zhì)性和宏觀尺度異質(zhì)性這3個尺度展開。

圖2 巖體異質(zhì)性與尺度關(guān)系(改自Heok et al.(1980))

巖體異質(zhì)性涉及產(chǎn)生機制、表現(xiàn)特征、力學效應(yīng)、演化發(fā)展、尺度效應(yīng)等問題，長期以來得到了廣泛的關(guān)注。深入開展巖體異質(zhì)性研究，是巖體工程地質(zhì)力學理論體系的延伸，具有理論與實踐的雙重意義。為此，本文將從巖石礦物、單條結(jié)構(gòu)面和宏觀巖體3個尺度出發(fā)，對近年來所開展的巖體異質(zhì)性研究工作進行闡述，以期進一步加深巖體力學領(lǐng)域?qū)＜覍W者對巖體異質(zhì)性的理解和重視。

1 巖體細微觀異質(zhì)性

1.1 巖體細微觀異質(zhì)性及顆粒模型

巖體中的連續(xù)介質(zhì)部分由礦物組合而成。通過不同尺度的微觀圖像可以看到，巖石中的礦物類型、含量、分布以及礦物粒徑的大小、幾何狀態(tài)等均表現(xiàn)出非常強烈的異質(zhì)性特征(圖3)。雖然許多研究已經(jīng)通過試驗分析了粒度對巖石強度和變形的影響，但其異質(zhì)性作用機制仍未被很好地理解(Fredrich et al.，1990；Wong et al.，1996；Eberhardt et al.，1999)。巖石的細微觀異質(zhì)性，雖然一部分由微裂隙誘發(fā)，但仍主要受控于不同礦物的形態(tài)及其排列組合關(guān)系。因此，準確描述礦物形態(tài)及其排列組合關(guān)系，成為了研究巖體細微觀尺度異質(zhì)性的一項基本工作。

圖3 巖體微觀尺度掃描照片

為了實現(xiàn)巖石細觀異質(zhì)性結(jié)構(gòu)的精準重構(gòu)，Lan et al.(2010)利用Voronoi鑲嵌技術(shù)，開發(fā)了通用的能處理復雜形狀的礦物顆粒Voronoi細分算法。這是一種滿足任意尺寸分布的圓盤/粒子填充算法，根據(jù)礦物類型、平均粒徑等，考慮了試樣面積、顆粒尺寸范圍和特定尺寸顆粒的百分比等微觀指標，能夠?qū)崿F(xiàn)礦物大小和幾何形狀的差異化賦值。最終基于UDEC軟件建立了一個異質(zhì)性顆粒模型GBM-UDEC(Grain Basin Model-UDEC)(圖4)，通過不同大小和幾何形狀的礦物組合，完成了巖石內(nèi)部異質(zhì)性的模擬。如圖4所示，使用GBM-UDEC生成的多邊形晶粒結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了不同晶粒類型和晶粒尺寸的連接，實現(xiàn)了對巖石微觀結(jié)構(gòu)的模擬。由于巖石中主要礦物類型不止一種，這就導致許多巖石模型的礦物接觸組合類型可能多達10余種。GBM-UDEC中，礦物接觸的本構(gòu)模型定義為具有剩余摩擦強度的庫侖滑動模型，每一個晶粒都是一個可變形的塊體，晶粒之間的每一個接觸都可能因斷裂和滑動而損壞。受技術(shù)限制，雖然模型中晶粒本身不能斷裂，但這并不會對破裂結(jié)果造成巨大影響，因為礦物(晶粒)本身的強度幾乎比巖石基質(zhì)(接觸)高1000倍(Fairhurst，1971)。

圖4 兩種不同顆粒粒徑大小的花崗巖GBM-UDEC模型(Lan et al.，2010)

在GBM-UDEC模型中，也可以對礦物的強度參數(shù)進行差異性賦值，形成力學非均質(zhì)性表達。模型同時可以實現(xiàn)礦物顆粒接觸強度的各向異性表達，如花崗巖中的石英-石英、石英-長石、石英-云母之間的界面力學參數(shù)，包括剛度、黏聚強度、摩擦強度均具有各向異性。GBM-UDEC模型能夠從結(jié)構(gòu)和材料兩個角度定量刻畫巖石在礦物尺度上的異質(zhì)性，反映巖體微觀異質(zhì)性的本質(zhì)特征。

巖石的細微觀異質(zhì)性在三維視角下更加明顯，將GBM-UDEC模型進一步擴展到三維，可以在幾何、力學和接觸關(guān)系等方面更充分地體現(xiàn)巖石的細微觀異質(zhì)性(圖5)。三維模型的建立，有助于研究不同礦物顆粒的異質(zhì)性空間分布與空間接觸關(guān)系所產(chǎn)生的力學效應(yīng)，從而實現(xiàn)厘清巖石力學行為規(guī)律，并揭示微觀異質(zhì)性對宏觀破裂的控制機制。

圖5 兩種不同異質(zhì)性巖石的GBM三維模型(Lan et al.，2013b)

1.2 細微觀異質(zhì)性對巖石破裂的控制機制

巖石在峰值強度前的破壞過程可以分為4個階段，其典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示(Martin et al.，2009)。這其中涉及3個非常重要的特征點，即起裂點、膨脹點和峰值點，各特征點體現(xiàn)了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生-擴展-貫通的漸進過程，是真實的材料特性，其不受加載速率和樣品尺寸的影響。晶粒幾何異質(zhì)性越低的巖石應(yīng)具有較大的裂紋起始應(yīng)力(Lan et al.，2010)。然而，除了晶粒幾何異質(zhì)性的影響外，內(nèi)部微觀應(yīng)力分布還受到晶粒模量變化和強度變化的影響，并且在不同種類的巖石中，占主導地位的微觀異質(zhì)性因子也不同。巖石的破壞過程受其微觀異質(zhì)性密切控制，主要表現(xiàn)為3種機制，即：①通過應(yīng)力重分布控制破裂過程，②改變微裂隙發(fā)育及相互作用模式，③改變起裂點強度。

圖6 壓縮載荷下完整巖石試樣的破壞階段(Martin et al.，2009)

1.2.1 控制破裂過程

巖石在受載過程中，在礦物尺度層面，物質(zhì)的異質(zhì)性、特別是幾何結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性使巖石內(nèi)部產(chǎn)生了強烈的應(yīng)力分布不均勻。尤其是當微裂紋開始相互作用時，在微觀異質(zhì)性的影響下，巖石內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)不斷改變，并最終導致屈服。如圖7模型所示，顏色越深的地方代表的拉應(yīng)力越強。通過模型可以看出，細微觀的異質(zhì)性導致了巖石內(nèi)部發(fā)生差異性應(yīng)力重分布，從而控制了巖石的整個破裂過程。

圖7 均質(zhì)性樣品(上)和異質(zhì)性樣品(下)在礦物顆粒層面的應(yīng)力集中(Lan et al.，2013b)

巖石破裂的真實過程在花崗巖的微觀拉伸試驗中被記錄下來，微觀拉伸全過程的顯微鏡照片如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，在拉應(yīng)力施加的前期，預制的巖石缺口發(fā)生應(yīng)力集中，破裂也最早出現(xiàn)。對于完全均質(zhì)巖石，樣品的破裂軌跡應(yīng)當會直接垂直貫穿預制缺口，但作為具有異質(zhì)性特征的花崗巖，其破裂面表現(xiàn)為沿黑云母與石英邊界延伸擴展。這反映了細微觀異質(zhì)性通過應(yīng)力重分布改變了花崗巖的破裂路徑，體現(xiàn)了微觀異質(zhì)性的控制作用。

圖8 花崗巖微觀拉伸全過程顯微鏡照片

1.2.2 改變微裂隙發(fā)育及相互作用模式

細微觀異質(zhì)性控制巖石破裂的第2種機制是改變微裂隙發(fā)育及相互作用模式。如圖9所示，巖石破壞的微裂隙作用模式分為兩種，即拉伸模式和剪切滑動模式，而巖石的微破裂模式和礦物的組合狀態(tài)密切相關(guān)。巖石的細微觀異質(zhì)性控制了微裂隙的產(chǎn)生、擴展、累積、相互作用或合并等過程(Bobet et al.，1998)。圖10展示了GBM-UDEC模型中巖石的微觀異質(zhì)性特征以及微裂隙之間的相互作用關(guān)系，可見礦物的異質(zhì)性特征不僅改變了微裂隙的發(fā)育過程，同時也影響著微裂隙間的相互作用。圖8中的花崗巖微觀拉伸破壞全過程顯微照片則通過試驗真實反映了這一力學作用機制，表明石英和黑云母的顆粒大小、顆粒形狀以及顆粒邊界強度異質(zhì)性控制著裂隙的產(chǎn)生、積累擴展、直至最后破裂的整個過程。

圖9 微裂隙發(fā)育體系相互作用模式(Nicksiar et al.，2013)

圖10 微觀異質(zhì)性控制裂紋的產(chǎn)生擴展、累積、相互作用過程(Lockner et al.，1992；Lan et al.，2010)

在更微觀的尺度上，第2種作用機制同樣存在。圖11展示了龍馬溪組頁巖在納米尺度上的裂隙分布模式。龍馬溪組頁巖含有豐富的礦物類型，包括石英、長石，碳酸鹽以及黏土礦物等，礦物的組合模式以及存在的微裂隙使頁巖表現(xiàn)出了強烈的異質(zhì)性(Dewhurst et al.，2006)。從頁巖的納米尺度圖像上可以發(fā)現(xiàn)，不同礦物內(nèi)的微觀裂隙分布模式存在差異性，微結(jié)構(gòu)的鏈接形式也完全不同。比如，石英礦物發(fā)育一條單線的脆性破裂，總體較為平直，局部呈鋸齒狀，裂隙中間常含礦物碎屑，表現(xiàn)壓剪破裂特征；長石礦物中發(fā)育鋸齒狀微裂縫，該性質(zhì)與石英中的裂隙類似，體現(xiàn)壓剪破壞模式；碳酸鹽中通常含有明顯的多組復雜裂隙，呈網(wǎng)狀分布，體現(xiàn)溶蝕后受力破壞的模式；黏土礦物中存在的長條形裂隙沿黏土礦物展布，部分位置可見大角度褶曲，裂隙末端尖滅，體現(xiàn)拉剪破壞。由此可見，在納米尺度下，頁巖礦物的異質(zhì)性控制著微裂隙的空間形態(tài)、展布特征和發(fā)育機制。

圖11 納米尺度頁巖微觀裂隙SEM圖像(Lan et al.，2019)

1.2.3 改變起裂點的強度

細微觀各向異性控制宏觀破裂的第3個機制是改變起裂點的強度。Nicksiar et al.(2013)曾通過大量的試驗研究了礦物類型、各向異性、晶粒尺寸等對裂紋萌生的影響，發(fā)現(xiàn)巖石中最硬礦物的含量與起裂強度關(guān)系密切，揭示了巖石細微觀異質(zhì)性對起裂強度所產(chǎn)生的力學效應(yīng)。圖12a展示了巖石起裂強度與各向異性指數(shù)之間的關(guān)系，可見隨著各向異性的增加，巖石的起裂強度在不斷減小。由此可見，巖石礦物之間的強度差異越大，即異質(zhì)性越強，巖石也越容易破壞。

圖12 細微觀異質(zhì)性弱化起裂點強度機理(Martin et al.，1994)

巖石的細微觀異質(zhì)性通過黏聚強度喪失以及摩擦強度活化來影響巖石破壞的起裂點強度，下面將以黑云母石英片巖為例進行說明(包含等，2021a)。如圖12b所示，對于黑云母石英片巖，隨著塑性應(yīng)變的增大，巖石的黏聚力逐漸喪失，而摩擦角則先增大后減小，但是在不同的片理面與加載方向夾角條件下，黏聚力和摩擦角的演化過程不同。由此可以說明，片理結(jié)構(gòu)面不僅控制著黑云母石英片巖黏聚力的喪失過程，同時控制著摩擦強度的活化過程。事實上，黏聚強度喪失、摩擦強度活化作為巖石漸進破壞的內(nèi)在機制，將最終體現(xiàn)在對巖石強度、尤其是起裂強度的影響上，即巖石在細微觀上所表現(xiàn)的異質(zhì)性將會改變其起裂強度。

1.3 細微觀異質(zhì)的宏觀力學效應(yīng)

對于自然界中的地質(zhì)體，其內(nèi)部的細微觀變化經(jīng)?？梢砸l(fā)強烈的宏觀響應(yīng)(蘭恒星等，2003a；Xu et al.，2022)。巖體的許多宏觀破裂行為同樣也會受細微觀異質(zhì)性所控制，尤其對于完整巖體更是如此。Lan et al.(2013)利用GBM-UDEC模型建立了巖石從“細微觀”到“宏觀”的跨尺度分析方法，這一跨尺度分析方法在瑞典SKB地下核廢料處置實驗室的圍巖破裂行為中得到了應(yīng)用與驗證。在建立的用于模擬地下硐室的GBM-UDEC微觀力學模型中，Aspo閃長巖的粒度分布按20的倍數(shù)進行縮放(圖13)。

圖13 用于模擬地下硐室的跨尺度GBM-UDEC模型(Lan et al.，2013)

圖14是地下實驗室開挖后現(xiàn)場微震監(jiān)測結(jié)果與GBM-UDEC數(shù)值分析結(jié)果的對比，GBM-UDEC模擬的硐室圍巖的破裂行為與現(xiàn)場觀測與監(jiān)測結(jié)果具有很好的一致性，實現(xiàn)了現(xiàn)場尺度巖體破壞過程的定量表征。根據(jù)巖體的破裂過程，可將地下硐室的破壞過程分成4個階段。從發(fā)展演化的角度來看，SKB地下硐室圍巖破裂的第一個階段主要是損傷累積及一些誘發(fā)的拉張破壞。在隨后的階段中，圍巖破裂逐步加劇，從表層起殼到裂紋貫通、尺度增大，最后直至形成了“V”字型破裂?，F(xiàn)場尺度巖體的破壞，涉及到諸如應(yīng)力環(huán)境、水熱環(huán)境、開挖擾動、硐室形態(tài)等多因素的影響，因此其破壞特征與室內(nèi)試驗不同。圖14中，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的一致性表明，巖體的細微觀異質(zhì)性是圍巖表現(xiàn)出這種破裂現(xiàn)象的基礎(chǔ)誘因。研究結(jié)果也證實，裂隙的起始位置、空間狀態(tài)、規(guī)模大小以及最后形成的宏觀破裂形狀均是由巖體的細微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、幾何異質(zhì)性以及強度異質(zhì)性所決定的，體現(xiàn)了巖體細微觀異質(zhì)性在巖體宏觀力學行為中的重要作用。

圖14 現(xiàn)場尺度的完整巖體的變形破壞過程(Lan et al.，2013)

2 單條結(jié)構(gòu)面異質(zhì)性

2.1 結(jié)構(gòu)面的形貌異質(zhì)性

結(jié)構(gòu)面作為一個地質(zhì)界面或帶，其表面形貌呈現(xiàn)出粗糙起伏的狀態(tài)(Grasselli et al.，2003)。通過三維激光掃描技術(shù)，可以對結(jié)構(gòu)面的形貌進行精細化獲取，結(jié)果如圖15所示。顯然，結(jié)構(gòu)面在不同方向上的起伏狀態(tài)是不同的，即在形貌上表現(xiàn)出強烈的幾何異質(zhì)性。Bao et al.(2020b)曾根據(jù)結(jié)構(gòu)面的微坡度分布特征，建立了一個具有各向異性表征能力的形貌參數(shù)M。該形貌參數(shù)作為表征結(jié)構(gòu)面起伏狀態(tài)的量化指標，不僅體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面形貌的異質(zhì)性特征，同時也搭建了結(jié)構(gòu)面幾何狀態(tài)與力學行為之間關(guān)聯(lián)的橋梁。

圖15 結(jié)構(gòu)面幾何形貌異質(zhì)性及量化表征

圖16是針對同一組結(jié)構(gòu)面所獲得的掃描結(jié)果，并且對掃描的結(jié)構(gòu)面，按照45°間隔計算其在不同方向上的形貌參數(shù)M值。結(jié)果表明，對于同一條結(jié)構(gòu)面，其形貌在不同方向上的起伏狀態(tài)存在差異性，表現(xiàn)了單條結(jié)構(gòu)面形貌狀態(tài)的空間異質(zhì)性。而對于同屬一組的多條結(jié)果面，其形貌差異性同樣表現(xiàn)顯著。從另一個角度來說，不同結(jié)構(gòu)面間的差異性，也同樣屬于異質(zhì)性的范疇。研究表明，這種結(jié)構(gòu)面間的形貌異質(zhì)性存在統(tǒng)計學意義，表現(xiàn)為同一方向上的形貌參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布(Bao et al.，2020a)。

圖16 同組結(jié)構(gòu)面形貌與各向異性形貌參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)面的異質(zhì)性力學行為

巖體結(jié)構(gòu)控制理論已經(jīng)系統(tǒng)揭示了結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生的巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，本文不再贅述(谷德振，1979；孫廣忠，1988；蘭恒星等，2019)。而結(jié)構(gòu)面本身所存在的異質(zhì)性力學行為其實也是一個值得關(guān)注的問題，其中以結(jié)構(gòu)面剪切行為異質(zhì)性表現(xiàn)最為突出。目前，利用3D打印技術(shù)可以制作具有相同形貌的結(jié)構(gòu)面，以便于開展重復性的結(jié)構(gòu)面直剪試驗，從而揭示結(jié)構(gòu)面剪切的各向異性力學特征。圖17即展示了結(jié)構(gòu)面在3種法向應(yīng)力條件下沿8個剪切方向的強度-位移曲線及所得剪切力學參數(shù)的各向異性分布特征。

從圖17中各向異性剪切試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，多數(shù)參數(shù)在各向異性上表現(xiàn)出了相似的分布特征，而殘余摩擦角在不同方向上則呈現(xiàn)出了一種相對均勻的分布狀態(tài)。由此可見，結(jié)構(gòu)面的力學行為各向異性在剪切過程中逐漸減弱甚至喪失。前人研究也同時指出，結(jié)構(gòu)面的力學行為各向異性實際上由幾何參數(shù)的各向異性控制，使黏聚力、摩擦角、剛度、剪切位移、剪切強度等關(guān)鍵參數(shù)同樣表現(xiàn)出空間異質(zhì)分布(Ali et al.，2014；Kumar et al.，2016)。

圖17 結(jié)構(gòu)面各向異性剪切與剪切力學參數(shù)

基于結(jié)構(gòu)面剪切力學參數(shù)的分布特征，可以構(gòu)建其與結(jié)構(gòu)面形貌之間的量化關(guān)系。Barton et al.(1977)早在1977年就曾應(yīng)用JRC實現(xiàn)了關(guān)系模型的建立。在此之后，諸多學者結(jié)合理論、試驗等持續(xù)推進了這項研究工作(Barton et al.，1977；Grasselli et al.，2003；Singh et al.，2018；周輝等，2019)，Bao et al.(2020b，2021b)也曾探討過各向異性形貌參數(shù)與結(jié)構(gòu)面抗剪強度之間的異質(zhì)性聯(lián)系。但是這些研究多關(guān)注于參數(shù)的量值關(guān)系，對剪切行為過程中參數(shù)演化的關(guān)注度還不夠。因此，針對結(jié)構(gòu)面剪切力學行為異質(zhì)性，相關(guān)理論和應(yīng)用實踐方面的研究工作仍在持續(xù)。

剪切過程的峰后行為，實際上存在異質(zhì)性弱化的現(xiàn)象。在峰后階段，被弱化的對象包括幾何異質(zhì)性、強度異質(zhì)性以及其他關(guān)鍵參數(shù)的異質(zhì)性。如圖18所示，在峰后階段，結(jié)構(gòu)面的破壞呈現(xiàn)出強烈的局部應(yīng)變化特征。從受剪面的數(shù)字化辨識結(jié)果可以看出，應(yīng)變局部化的發(fā)生使結(jié)構(gòu)面形貌的異質(zhì)性逐漸弱化。對比剪切前和峰后結(jié)構(gòu)面的表面狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)這種剪切損傷區(qū)域同樣具有顯著的方向性。分析結(jié)構(gòu)面剪切強度在峰后的異質(zhì)性弱化原因，我們認為是應(yīng)變局部化效應(yīng)的逐步喪失在起關(guān)鍵作用。

圖18 結(jié)構(gòu)面剪切破壞損傷區(qū)與峰后異質(zhì)性弱化

3 巖體宏觀異質(zhì)性

巖體中構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的異質(zhì)性分布可以通過統(tǒng)計分析方法進行描述，并且已經(jīng)有了豐富的研究成果，本文不再贅述。本文將以鄂爾多斯盆地砂巖泥巖互層中發(fā)育的次生張破裂垂直節(jié)理為例，闡述垂直節(jié)理發(fā)育演化和分布的異質(zhì)性問題。

3.1 巖體結(jié)構(gòu)的分布異質(zhì)性

鄂爾多斯盆地具有構(gòu)造背景簡單、巖層狀態(tài)穩(wěn)定、節(jié)理成因規(guī)律比較清晰等特點。對鄂爾多斯盆地砂-泥巖互層中大量存在的垂直節(jié)理開展野外調(diào)查統(tǒng)計，獲取了近五千條節(jié)理的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要包括間距、隙寬、走向、埋深、發(fā)育巖層厚度等參數(shù)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，垂直節(jié)理的發(fā)育貫穿于砂巖層，并且呈現(xiàn)出非均勻分布狀態(tài)。通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)砂巖層中垂直節(jié)理的間距主要呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布模式，并且平均間距(S)與所在砂巖層的厚度(T)呈正相關(guān)關(guān)系。軟硬互層巖體中的垂直節(jié)理具有漸次發(fā)育的特點(Bao et al.，2019)，因此在不同發(fā)育階段，間距的概率分布形式也在發(fā)生變化。這一變化過程可以節(jié)理間距層厚比(S/T)與分布函數(shù)的偏度關(guān)系來表達，表現(xiàn)為隨著節(jié)理間距層厚比的減小，節(jié)理間距分布逐漸由偏態(tài)向正態(tài)轉(zhuǎn)化(圖19)。

圖19 垂直節(jié)理發(fā)育特征與異質(zhì)性分布演化

垂直節(jié)理走向的異質(zhì)性也是其宏觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)。通過對幾千條節(jié)理走向的統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)理走向存在兩組優(yōu)勢方向，第1組為近東西走向，也是最主要發(fā)育的節(jié)理，第2組主要與邊坡走向平行。由此可以推斷，垂直節(jié)理的走向主要受兩個方面的影響。首先是構(gòu)造應(yīng)力，鄂爾多斯盆地的構(gòu)造應(yīng)力為北東東—南西西方向(姜琳等，2013)，與第1組垂直節(jié)理發(fā)育的走向呈小角度相交；第2個方面主要是邊坡卸荷以及各種表生作用，這些作用可能關(guān)系到與邊坡走向平行的一些宏觀節(jié)理發(fā)育，即圖20中的第2組節(jié)理。從兩組節(jié)理發(fā)育的優(yōu)勢程度上可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力對垂直節(jié)理的發(fā)育起到主控作用。

圖20 節(jié)理走向的空間分布特征

3.2 巖體結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性時空演化特征

對地質(zhì)地表過程的研究，常常需要考慮其動態(tài)演化(Lan et al.，2022)。巖體中發(fā)育的次生結(jié)構(gòu)面，其發(fā)育演化過程即具有明顯的時空特征。圖21展示了砂-泥巖互層垂直節(jié)理在平硐中被揭露的發(fā)育情況。在平硐口附近，垂直節(jié)理密集發(fā)育，平硐頂部也可以看到垂直節(jié)理在砂巖層中的斷續(xù)延伸現(xiàn)象，并且形成了巖塊的切割崩落。順著洞口向內(nèi)，垂直節(jié)理逐漸減少，巖體的完整性得到提升。這表明，表生作用對巖體異質(zhì)性有著重要的影響，促使巖體次生結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了顯著的空間差異性。

圖21 垂直節(jié)理的空間異質(zhì)分布特征

同時，砂-泥巖互層垂直節(jié)理的發(fā)育也表現(xiàn)出強烈的時間效應(yīng)。圖22是互層砂泥巖的一個露頭，展示了開挖后半年和兩年的節(jié)理發(fā)育狀態(tài)?？梢钥吹?，開挖半年后，巖體的完整性還比較好，巖層的層面依然清晰；但是開挖兩年后，巖體結(jié)構(gòu)面呈現(xiàn)出密集發(fā)育現(xiàn)象，完整性基本喪失。由此可見，在卸荷、風化等表生作用下，巖體結(jié)構(gòu)的發(fā)育存在顯著的時間效應(yīng)，巖體的宏觀異質(zhì)性會隨時間增長發(fā)生顯著的改變。這種表生作用，往往會成為突發(fā)災(zāi)害的誘發(fā)條件(蘭恒星等，2022)。

圖22 垂直節(jié)理異質(zhì)性發(fā)育的時間效應(yīng)

3.3 巖體結(jié)構(gòu)異質(zhì)性發(fā)育的飽和現(xiàn)象

對于在砂-泥巖互層中發(fā)育的垂直節(jié)理，其平均間距(S)與所在砂巖層的厚度(T)呈正相關(guān)關(guān)系，如圖23所示。同時，隨著上覆應(yīng)力的增加，節(jié)理的密度也會不停的增加，但當密度增加到一定程度后，曲線的變化放緩(圖23)。這種現(xiàn)象即說明了垂直節(jié)理的發(fā)育填充存在“飽和”現(xiàn)象。簡單來講，軟硬互層巖體中節(jié)理并非隨壓力增大而持續(xù)發(fā)育，而是在應(yīng)力超出一定值后達到一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而這一種穩(wěn)定狀態(tài)，即稱之為節(jié)理飽和。

圖23 垂直節(jié)理發(fā)育影響因素與飽和現(xiàn)象

針對垂直節(jié)理發(fā)育飽和的問題，許多學者也展開了研究。理論分析認為，垂直節(jié)理的發(fā)育受控于巖層內(nèi)的拉應(yīng)力和巖石抗拉強度的關(guān)系，當產(chǎn)生的拉應(yīng)力不再大于抗拉強度時，節(jié)理發(fā)育即停止(Wu et al.，1995)。Ji et al.(1998)曾通過理論解析得出硬脆巖層內(nèi)兩個相鄰節(jié)理間的最大拉應(yīng)力。結(jié)果表明，在節(jié)理的發(fā)育階段，兩條垂直節(jié)理間的最大拉應(yīng)力會隨垂直節(jié)理的新生而逐漸減小，直至低于巖石抗拉強度，節(jié)理發(fā)育也即達到飽和狀態(tài)。這種現(xiàn)象，單純從力學角度不便于很好理解，可能與自然界本身的自由組織恢復能力有關(guān)。也就是說，這種破壞不會無限度的進行，而垂直節(jié)理發(fā)育飽和現(xiàn)象即是自組織恢復的表現(xiàn)。

4 結(jié) 論

異質(zhì)性是一個非常重要卻又十分復雜的學術(shù)命題，本文從細微觀礦物、巖體結(jié)構(gòu)面和宏觀巖體3個尺度闡述了巖體所存在的異質(zhì)性問題，得到如下5點認識：

(1)巖石的細微觀異質(zhì)性由巖石礦物及細微觀結(jié)構(gòu)引發(fā)，可改變巖石內(nèi)部的應(yīng)力重分布狀態(tài)，影響裂隙的破裂位置、空間狀態(tài)、規(guī)模大小以及破裂路徑等，是控制巖石破裂過程的關(guān)鍵因素。

(2)細微觀異質(zhì)性改變了巖石微裂隙起裂、發(fā)育拓展及微裂隙間的相互作用模式，并通過黏聚強度喪失以及摩擦強度活化來影響巖石破壞的起裂點強度。

(3)細微觀異質(zhì)性在巖體宏觀力學行為中的作用不可忽略，通過“細微觀”到“宏觀”的跨尺度分析方法，揭示了細微觀的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、幾何異質(zhì)性以及強度異質(zhì)性對許多宏觀尺度破裂行為的影響。

(4)結(jié)構(gòu)面的異質(zhì)性形貌參數(shù)與其抗剪強度各向異性之間存在緊密關(guān)聯(lián)，在剪切過程中，由于應(yīng)變局部化效應(yīng)的逐步喪失，結(jié)構(gòu)面的幾何與強度異質(zhì)性在峰后逐漸弱化。

(5)在表生作用下，巖體次生結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性表現(xiàn)出了顯著的時空演化特征，但隨著時間的增長，巖體結(jié)構(gòu)的發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定，體現(xiàn)了自然界所具有的自組織恢復能力。

巖體的異質(zhì)性在不同尺度上的表現(xiàn)存在差異，具有顯著的尺度效應(yīng)。加深對巖體多尺度異質(zhì)性問題的認識，可有力推動巖體工程地質(zhì)力學的創(chuàng)新發(fā)展，并促進相關(guān)理論在巖體工程方面開展應(yīng)用實踐。