含裂隙類巖石力學(xué)特性研究現(xiàn)狀與展望

伏德柱，經(jīng)緯,2,,4，金仁才，錢元弟，經(jīng)來(lái)旺，薛維培,2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001；3.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司 土木工程博士后科研工作站，安徽馬鞍山 243000；4.安徽理工大學(xué)土木工程博士后科研流動(dòng)站，安徽淮南 232001；5.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，在巖質(zhì)地層中穿越的工程項(xiàng)目日益增加。天然巖體是由結(jié)構(gòu)面與巖石材料組成的具有各向異性、非均質(zhì)性和不連續(xù)性的復(fù)雜混合物，其內(nèi)部由多種膠結(jié)物和礦物質(zhì)材料等構(gòu)造而成[1]，其結(jié)構(gòu)面不連續(xù)且隨機(jī)分布[2]。此類不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面在空間上的分布具有多樣性，其在不同應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出非線性力學(xué)響應(yīng)的特征，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度和變形均具有明顯的非線性和各向異性等復(fù)雜的特點(diǎn)[3]。節(jié)理、裂紋、層理等瑕疵均會(huì)對(duì)巖體的力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響[4]。因此，在研究裂隙對(duì)巖體工程的影響時(shí)，亟需在認(rèn)識(shí)巖體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上揭示導(dǎo)致巖體發(fā)生失穩(wěn)的原理、條件及前兆規(guī)律，并獲得解決巖體工程相關(guān)問題的分析方法，據(jù)此采取具有針對(duì)性的防范措施，這是保證巖體工程可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的必由之路[5-6]。

由于天然巖石的質(zhì)地不均勻，難以保證每個(gè)試件性質(zhì)相同，近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者以類巖石代替巖石來(lái)進(jìn)行相關(guān)巖石的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。其中，混凝土砂漿、石膏等為常見的類巖石材料。為形成預(yù)制裂隙，通常采用預(yù)埋鋼片等方式，在類巖石材料凝固前將鋼片拔出。筆者將介紹國(guó)內(nèi)外關(guān)于在類巖石試件中形成單裂隙和多裂隙的相關(guān)研究，試驗(yàn)方法包括單軸壓縮試驗(yàn)、雙軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，最后對(duì)含縫隙類巖石力學(xué)性能的研究方向進(jìn)行展望。

1 含裂隙類巖石的力學(xué)特性研究

1.1 單軸壓縮試驗(yàn)下含裂隙類巖石的力學(xué)特性研究

隨著巖體工程的發(fā)展，巖體內(nèi)部會(huì)存在不同大小的細(xì)微裂隙，因此巖體并非一個(gè)完整體。采用類巖石來(lái)代替巖石進(jìn)行試驗(yàn)研究可以解決天然巖石質(zhì)地不均勻所導(dǎo)致的難以保證每個(gè)試件性質(zhì)相同的問題。相關(guān)研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同裂隙數(shù)目、傾角、孔隙形狀下的類巖石進(jìn)行力學(xué)特征分析。秦楠等[7]以砂漿為材料制作單裂隙類巖石試件，研究發(fā)現(xiàn)裂隙傾角越小，試件單軸抗壓強(qiáng)度越低。在此基礎(chǔ)上，索永錄等[8]在單軸壓縮試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值強(qiáng)度與類巖石試件的單裂隙傾角呈正相關(guān)。崔景昆等[9]研究發(fā)現(xiàn)，單裂隙類巖石試件的傾角為30°～45°時(shí)試件強(qiáng)度受到的影響最大。武旭等[10]針對(duì)不同分布狀態(tài)交叉裂隙的類巖石進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)裂隙和壓力夾角對(duì)類巖石強(qiáng)度的影響較大。Wong 等[11]采用含3 條平行裂隙的類巖石試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在任意3 條平行的裂隙中，有且只有2 條裂隙可以實(shí)現(xiàn)貫通。部分學(xué)者針對(duì)裂隙的形狀進(jìn)行了研究。張栩栩[12]用水泥砂漿材料制備橢圓孔洞試件，并對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，以橢圓孔洞與正應(yīng)力的夾角為變量，研究發(fā)現(xiàn)試件的峰值強(qiáng)度隨裂隙傾角的增大而降低。Lin 等[13]對(duì)含雙圓形孔洞和裂隙的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂隙傾角對(duì)試件強(qiáng)度有顯著影響。

1.2 雙軸壓縮試驗(yàn)下含裂隙類巖石的力學(xué)特性研究

在單軸壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)者對(duì)不同裂隙數(shù)目、傾角和形狀下的類巖石進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)。劉學(xué)偉等[14]對(duì)預(yù)制不同裂隙傾角的單裂隙類巖石試件進(jìn)行了單軸與雙軸壓縮試驗(yàn)的對(duì)比，與單軸壓縮試驗(yàn)相比，在雙軸壓縮試驗(yàn)下峰值強(qiáng)度（應(yīng)力-應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）和峰后應(yīng)力（應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到最高點(diǎn)后的應(yīng)力變化趨勢(shì)）不會(huì)減小。Wang 等[15]對(duì)預(yù)制不同裂隙傾角和巖橋傾角的雙裂隙類巖石試件進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)局部拉應(yīng)變和壓縮應(yīng)變均較小，且隨著軸向應(yīng)力的增大，局部應(yīng)變?cè)龃?。楊平[16]對(duì)雙裂隙類巖石進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)雙裂隙具有多種擴(kuò)展模式，緩解裂隙尖端的應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象有利于防止裂隙的擴(kuò)展。黃凱珠等[17]對(duì)三裂隙類巖石進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，預(yù)制裂隙逐漸閉合，導(dǎo)致內(nèi)摩擦力增大，裂紋沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)展。唐利明[18]采用水泥砂漿材料制備含孔洞和孔周裂隙類巖石試件，根據(jù)巖石力學(xué)和斷裂力學(xué)相關(guān)理論，并結(jié)合高清工業(yè)相機(jī)和高精度應(yīng)變片來(lái)進(jìn)行含裂隙類巖石材料的雙軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)試件局部應(yīng)變峰值并不對(duì)應(yīng)于其峰值強(qiáng)度，在加載過(guò)程中也沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.3 三軸壓縮試驗(yàn)下含裂隙類巖石的力學(xué)特性研究

在單軸和雙軸壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)者對(duì)不同裂隙數(shù)目、傾角及形狀下的類巖石進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)。肖桃李等[19]以砂漿預(yù)制單裂隙試件，在不同圍壓下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨著試件裂隙傾角的增大而增大，峰值強(qiáng)度隨著裂隙長(zhǎng)度的減小而增大。黃彥華等[20]對(duì)不平行雙裂隙類巖石試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)試件的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變均隨著圍壓的增加而增加，但峰值裂隙強(qiáng)度與傾角呈負(fù)相關(guān)。楊超等[21]對(duì)3 種不同裂隙傾角組合的非平行雙裂隙類巖石試件進(jìn)行多級(jí)時(shí)效荷載下的三軸壓縮試驗(yàn)，并將其與常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下試件強(qiáng)度均略大于多級(jí)時(shí)效荷載下的試件強(qiáng)度，且不同裂隙傾角下2種試件強(qiáng)度的大小順序一樣，破壞形式受裂隙分布的影響較大。

1.4 含裂隙類巖石的力學(xué)特性數(shù)值模擬研究

隨著關(guān)于預(yù)制裂隙巖石裂紋擴(kuò)展研究的不斷深入，關(guān)于巖石裂隙擴(kuò)展的數(shù)值模擬也得到了廣泛應(yīng)用。Shen[22]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)含裂隙類巖石試件進(jìn)行單軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)得到的裂隙擴(kuò)展規(guī)律與試驗(yàn)相同，相比之下，數(shù)值模擬方法更具優(yōu)勢(shì)。汪中林[23]對(duì)單裂隙類巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和三維有限差分程序（fast lagrangian analysis of continua，F(xiàn)LAC 3D）數(shù)值模擬，室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均略大于模擬數(shù)據(jù)，但兩者總體趨勢(shì)一致，隨著裂隙傾角的增大，試件峰值強(qiáng)度先減小后增大。付金偉等[24]采用FLAC 3D 數(shù)值模擬方法對(duì)立體橢圓裂隙類巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)三維裂隙與二維裂隙的受力情況相似，但裂隙擴(kuò)展情況比二維要復(fù)雜，峰值強(qiáng)度隨著三維裂隙側(cè)壓的上升而增大。潘翔[25]采用顆粒流程序（particle flow code，PFC 2D）數(shù)值模擬方法對(duì)共面雙裂隙類巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)類巖石試件的峰值強(qiáng)度與裂隙長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)（裂隙長(zhǎng)度越短，峰值強(qiáng)度越大），隨著巖橋長(zhǎng)度的增加，試件峰值強(qiáng)度先增大后減小。楊海平[26]通過(guò)對(duì)交叉裂隙類巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn)并采用真實(shí)破裂過(guò)程分析（realistic failure process analysis，RFPA）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)主裂隙傾角對(duì)峰值強(qiáng)度的影響顯著，當(dāng)且僅當(dāng)主裂隙的傾角為0°時(shí)，次裂隙才會(huì)對(duì)強(qiáng)度有明顯影響。米文靜[27]采用數(shù)值模擬方法分別對(duì)預(yù)制單裂隙、雙裂隙類巖石進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)裂隙擴(kuò)展優(yōu)先從裂隙尖端開始。Huang等[28]針對(duì)預(yù)制3 種雙裂隙的類巖石試件，采用ANSYS AUTODYN 2D 數(shù)值模擬軟件來(lái)驗(yàn)證三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，裂隙擴(kuò)展和貫通過(guò)程不僅與已有裂隙的幾何形狀有關(guān)，還與圍壓有關(guān)，且與圍壓相比，預(yù)制裂隙幾何形狀對(duì)試件峰值強(qiáng)度的影響更大。

2 含裂隙類巖石試驗(yàn)研究的相關(guān)設(shè)備

現(xiàn)有的室內(nèi)三軸試驗(yàn)機(jī)功能系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和加載系統(tǒng)。為了進(jìn)行裂隙類巖石試塊裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，武東陽(yáng)等[29]在利用MTS816 巖石伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)的同時(shí)采用了聲發(fā)射和數(shù)字照相技術(shù)，對(duì)裂紋擴(kuò)展的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，并對(duì)試件進(jìn)行連續(xù)拍攝，直至試件破壞，以記錄加載過(guò)程中試件表面的位移變化，如圖1 所示。從類巖石試件應(yīng)力、聲發(fā)射與表面應(yīng)變特征的關(guān)系中可以看出，裂隙類巖石試件的應(yīng)力與聲發(fā)射以及表面應(yīng)變特征之間存在顯著的相關(guān)性。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備(Fig.1 Test equipment)

如圖2 所示，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖石表面的應(yīng)變場(chǎng)變化特征，郭奇峰等[30]在聲發(fā)射的基礎(chǔ)上增加了VIC-3D型三維表面應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，以聲發(fā)射的突變信息為依據(jù)，并結(jié)合壓縮試驗(yàn)過(guò)程表面最大的主應(yīng)變分布來(lái)確定裂隙的起裂位置、起裂順序以及巖石破裂模式。Zhou 等[31]為深入研究在靜態(tài)地應(yīng)力與動(dòng)態(tài)擾動(dòng)同時(shí)作用下巖石破壞的特征，采用改進(jìn)的霍普金森桿進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。為了研究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)試樣強(qiáng)度的影響，袁璞等[32]對(duì)試件進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件的松散會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的劣化。

圖2 表面應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)(Fig.2 Surface strain field measurement test)

3 含裂隙類巖石力學(xué)特性研究的發(fā)展趨勢(shì)

由于深部巷道圍巖處于“三高一擾動(dòng)”的繁雜力學(xué)環(huán)境中，同時(shí)受到高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈開采擾動(dòng)的作用，導(dǎo)致其與淺部巖體的力學(xué)特性區(qū)別很大。為保證每個(gè)試件性質(zhì)相同，采用類巖石來(lái)代替巖石進(jìn)行試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，針對(duì)含裂隙類巖石的力學(xué)探究，無(wú)論是機(jī)器研制、開拓性的研究成果，還是學(xué)者對(duì)其科學(xué)的認(rèn)識(shí)，均獲得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展?；诂F(xiàn)階段的研究，裂隙類巖石力學(xué)特性研究的發(fā)展趨勢(shì)包括如下幾點(diǎn)：

（1） 關(guān)于材料方面，深部巷道往往涉及多種巖石，在巖石交界處不同種類巖石表現(xiàn)出的力學(xué)特性不同，目前研究對(duì)象基本上是相同材料的含裂隙類巖石，未來(lái)可針對(duì)不同材料和不同幾何形狀裂隙的耦合情況進(jìn)行含裂隙類巖石的力學(xué)試驗(yàn)。

（2） 關(guān)于錨桿方面，錨桿可增強(qiáng)巖體的力學(xué)性能，并具有抑制其變形的作用，目前關(guān)于加錨桿的含裂隙類巖石的試驗(yàn)僅為單裂隙，未來(lái)可針對(duì)錨桿與多裂隙耦合的情況進(jìn)行含裂隙類巖石的力學(xué)試驗(yàn)。

（3） 關(guān)于滲流方面，孔隙靜水壓力和孔隙動(dòng)水壓力均能降低巖石的強(qiáng)度，這會(huì)嚴(yán)重影響深部圍巖的力學(xué)特性，目前很少考慮滲流對(duì)含裂隙類巖石試驗(yàn)的影響，未來(lái)可針對(duì)滲流情況進(jìn)行含裂隙類巖石的力學(xué)試驗(yàn)。

（4） 關(guān)于擾動(dòng)方面，在擾動(dòng)的影響下深部圍巖變形量增大，這大大降低了巖石的力學(xué)性能，目前很少考慮擾動(dòng)對(duì)含裂隙類巖石試驗(yàn)的影響，未來(lái)可針對(duì)擾動(dòng)情況進(jìn)行含裂隙類巖石的力學(xué)試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

研究人員在裂隙類巖石力學(xué)特性方面已經(jīng)取得豐富的研究成果，對(duì)深入了解裂隙類巖石特性起到了至關(guān)重要的作用，今后可在以下方面進(jìn)行深入研究：

（1） 在實(shí)際工程中裂隙往往是不規(guī)則的，其受力也并不單一，應(yīng)針對(duì)存在不規(guī)則缺陷的類巖石進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，為實(shí)際工程提供更好的借鑒。

（2） 由于地下工程同時(shí)承受高地應(yīng)力和孔隙水壓力，因此有必要分析多重應(yīng)力下的力學(xué)特性。

（3） 由于模擬軟件的精確性還有提升空間，因此可以改進(jìn)模擬程序，來(lái)提高數(shù)值模擬的速度和精確度，進(jìn)而提高數(shù)值模擬的使用率。

（4） 類巖石試件的制備過(guò)程繁雜，其步驟越多，出錯(cuò)的可能性就越大。因此可對(duì)裂隙類巖石試件的制作設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提高機(jī)械化和智能化操作水平，降低在含裂隙類巖石試件制備過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。