緩傾層狀巖體各向異性力學(xué)性能與破裂特征研究

鄭傳湉 朱星宇 張志強

摘要： 為研究緩傾層狀巖體結(jié)構(gòu)特性對其各向異性力學(xué)性能和破裂演化特征的影響，本文考慮不同結(jié)構(gòu)面間距、強度、傾角等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及模型尺寸效應(yīng)，開展緩傾層狀砂泥巖多因素影響試驗研究. 基于顆粒流方法建立緩傾層狀巖體數(shù)值力學(xué)模型，通過室內(nèi)試驗標(biāo)定了層狀砂泥巖參數(shù)，并驗證了所建立模型的有效性. 通過顆粒流數(shù)值力學(xué)試驗，創(chuàng)新性地研究層狀巖體結(jié)構(gòu)面的裂紋發(fā)育速率，進(jìn)而揭示緩傾層狀砂泥巖強度各向異性及破裂演化特征，確立其力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面間距、強度、傾角三個結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系. 研究結(jié)論：（1）引入的平節(jié)理模型（FJM）與光滑節(jié)理模型（SJM）建立的離散元力學(xué)模型，能表征緩傾層狀巖體強度各向異性力學(xué)特性與破裂演化過程；（2）緩傾層狀巖體切線模量與強度，隨層間距和層間強度的增大而增大，隨結(jié)構(gòu)面傾角的增大而減小，破裂特征受結(jié)構(gòu)面的影響逐漸增大，基于單組結(jié)構(gòu)面理論計算結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞的臨界角度為24. 5°；（3）結(jié)構(gòu)面裂紋的發(fā)育速度，隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而減小、隨結(jié)構(gòu)面傾角的減小而減小，隨結(jié)構(gòu)面強度的變化不明顯. 本文研究結(jié)果為緩傾層巖體隧道的力學(xué)行為與圍巖穩(wěn)定性研究提供了參考.

關(guān)鍵詞： 緩傾層狀巖體； 各向異性； 顆粒流； 破裂特征； 平節(jié)理模型； 光滑節(jié)理模型

中圖分類號： TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034004

1 引言

在砂泥巖、頁巖、板巖等沉積巖為主的地層中，通常存在發(fā)育良好的結(jié)構(gòu)面，它具有強烈的各向異性特征，且不同的結(jié)構(gòu)特性通常會引起巖石力學(xué)特性的顯著差異，進(jìn)而對工程建設(shè)期及運營維護(hù)期內(nèi)圍巖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的重要影響［1-4］. 對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.

在層狀圍巖隧道研究方面，張斌等［5］用3DEC軟件對不同傾角下圍巖應(yīng)變場變化規(guī)律進(jìn)行了研究. 李青剛等［6］通過現(xiàn)場監(jiān)測研究了層狀圍巖的破壞模式與形成機(jī)制. 丁堯等［7］基于塊體離散元理論對層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析. 現(xiàn)有的研究難以對層狀巖體微裂紋的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行反演，并且在顆粒流方面對層狀巖體的微觀各向異性力學(xué)性能的研究尚不完善.

在基于顆粒流離散單元法研究方面，Hertz［8］計算了顆粒接觸區(qū)域內(nèi)的壓力分布、接觸力以及接觸面的半徑等；Antoyuk 等［9］研究了顆粒間接觸力? 位移的本構(gòu)方程的求解方法；Rumpf［10］與Schubert［11］的研究證實了連接的破裂力學(xué)行為由細(xì)觀的黏接本構(gòu)模型決定以及顆粒細(xì)觀與宏觀的相關(guān)性；王朝陽等［12］對離散元顆粒流數(shù)值模型的參數(shù)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究. 同時，針對層狀砂板巖的研究，何忠明等［13］、劉運思等［14］通過單軸及巴西劈裂試驗揭示了層狀板巖的各向異性強度特征和破壞機(jī)制；張鵬飛等［15］通過室內(nèi)單軸以及巴西劈裂試驗分析了層狀砂巖的變形破裂過程.

學(xué)者們對層狀巖體強度特征、破壞機(jī)制以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究，但現(xiàn)有研究存在以下幾個問題：（1）以往的試驗大多為標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗試件，不能反映緩傾層狀巖體的尺度效應(yīng)，對宏觀力學(xué)行為規(guī)律性的表征較弱；（2）采用有限元軟件難以對巖石裂紋發(fā)育進(jìn)行反演，對破裂特征的表征較弱；（3）大多數(shù)值力學(xué)模型采用平行粘結(jié)模型，難以模擬壓拉比過大的巖石.

針對目前關(guān)于緩傾層狀巖體研究存在的問題，本文結(jié)合室內(nèi)試驗和適用于層狀巖體的數(shù)值分析方法，對緩傾層狀砂泥巖開展研究. 采用具有自鎖效應(yīng)的平節(jié)理模型模擬具有較大壓拉比的基質(zhì)體，以光滑節(jié)理模型表征結(jié)構(gòu)面滑移特性，建立緩傾層狀巖體數(shù)值力學(xué)模型，以單軸壓縮試驗驗證了所建模型的有效性，揭示了緩傾層狀巖體尺度效應(yīng). 基于試驗結(jié)果標(biāo)定層狀砂泥巖模型細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)面間距、強度、傾角等不同結(jié)構(gòu)面特性影響下緩傾層狀巖體各向異性力學(xué)性能與破裂演化規(guī)律.

2 緩傾層狀巖石顆粒流數(shù)值力學(xué)模型

2. 1 Particle Flow Code（PFC）接觸模型簡介

2. 1. 1 光滑節(jié)理模型（SJM） SJM 可模擬具有膨脹性的平面界面的力學(xué)行為，不考慮界面上局部顆粒的接觸方向. 通過將SJM 分配給位于連接兩端的顆粒，可以對摩擦連接與膠結(jié)行為進(jìn)行模擬. SJM 可模擬線彈性、膠結(jié)和摩擦的宏觀力學(xué)行為，見圖1. 膠結(jié)界面的行為是線彈性的，當(dāng)超過其強度極限，粘結(jié)斷裂. 膠結(jié)的SJM 滿足庫倫破壞準(zhǔn)則. 無粘結(jié)界面是線彈性且?guī)蛎浶?yīng)的摩擦界面，通過在剪切方向上施加庫侖極限來調(diào)節(jié)顆粒間的滑移.