含裂隙類巖石力學特性研究現狀與展望

伏德柱，經緯,2,,4，金仁才，錢元弟，經來旺，薛維培,2

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽淮南 232001；3.中國十七冶集團有限公司 土木工程博士后科研工作站，安徽馬鞍山 243000；4.安徽理工大學土木工程博士后科研流動站，安徽淮南 232001；5.安徽理工大學力學與光電物理學院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年來，我國基礎建設發展迅速，在巖質地層中穿越的工程項目日益增加。天然巖體是由結構面與巖石材料組成的具有各向異性、非均質性和不連續性的復雜混合物，其內部由多種膠結物和礦物質材料等構造而成[1]，其結構面不連續且隨機分布[2]。此類不連續的結構面在空間上的分布具有多樣性，其在不同應力狀態下表現出非線性力學響應的特征，導致巖體強度和變形均具有明顯的非線性和各向異性等復雜的特點[3]。節理、裂紋、層理等瑕疵均會對巖體的力學特性產生顯著影響[4]。因此，在研究裂隙對巖體工程的影響時，亟需在認識巖體結構特征的基礎上揭示導致巖體發生失穩的原理、條件及前兆規律，并獲得解決巖體工程相關問題的分析方法，據此采取具有針對性的防范措施，這是保證巖體工程可以長期穩定的必由之路[5-6]。

由于天然巖石的質地不均勻，難以保證每個試件性質相同，近年來越來越多的學者以類巖石代替巖石來進行相關巖石的力學性能試驗研究。其中，混凝土砂漿、石膏等為常見的類巖石材料。為形成預制裂隙，通常采用預埋鋼片等方式，在類巖石材料凝固前將鋼片拔出。筆者將介紹國內外關于在類巖石試件中形成單裂隙和多裂隙的相關研究，試驗方法包括單軸壓縮試驗、雙軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗以及數值模擬，最后對含縫隙類巖石力學性能的研究方向進行展望。

1 含裂隙類巖石的力學特性研究

1.1 單軸壓縮試驗下含裂隙類巖石的力學特性研究

隨著巖體工程的發展，巖體內部會存在不同大小的細微裂隙，因此巖體并非一個完整體。采用類巖石來代替巖石進行試驗研究可以解決天然巖石質地不均勻所導致的難以保證每個試件性質相同的問題。相關研究人員在實驗室內進行單軸壓縮試驗，對不同裂隙數目、傾角、孔隙形狀下的類巖石進行力學特征分析。秦楠等[7]以砂漿為材料制作單裂隙類巖石試件，研究發現裂隙傾角越小，試件單軸抗壓強度越低。在此基礎上，索永錄等[8]在單軸壓縮試驗中發現，應力-應變曲線最高點對應的應力峰值強度與類巖石試件的單裂隙傾角呈正相關。崔景昆等[9]研究發現，單裂隙類巖石試件的傾角為30°～45°時試件強度受到的影響最大。武旭等[10]針對不同分布狀態交叉裂隙的類巖石進行了單軸壓縮試驗，研究發現裂隙和壓力夾角對類巖石強度的影響較大。Wong 等[11]采用含3 條平行裂隙的類巖石試件進行單軸壓縮試驗，研究發現在任意3 條平行的裂隙中，有且只有2 條裂隙可以實現貫通。部分學者針對裂隙的形狀進行了研究。張栩栩[12]用水泥砂漿材料制備橢圓孔洞試件，并對其進行單軸壓縮試驗，以橢圓孔洞與正應力的夾角為變量，研究發現試件的峰值強度隨裂隙傾角的增大而降低。Lin 等[13]對含雙圓形孔洞和裂隙的試件進行單軸壓縮試驗，結果發現裂隙傾角對試件強度有顯著影響。

1.2 雙軸壓縮試驗下含裂隙類巖石的力學特性研究

在單軸壓縮試驗的基礎上，學者對不同裂隙數目、傾角和形狀下的類巖石進行了雙軸壓縮試驗。劉學偉等[14]對預制不同裂隙傾角的單裂隙類巖石試件進行了單軸與雙軸壓縮試驗的對比，與單軸壓縮試驗相比，在雙軸壓縮試驗下峰值強度（應力-應變曲線最高點對應的應力）和峰后應力（應力-應變曲線達到最高點后的應力變化趨勢）不會減小。Wang 等[15]對預制不同裂隙傾角和巖橋傾角的雙裂隙類巖石試件進行了雙軸壓縮試驗，研究發現局部拉應變和壓縮應變均較小，且隨著軸向應力的增大，局部應變增大。楊平[16]對雙裂隙類巖石進行了雙軸壓縮試驗，研究發現雙裂隙具有多種擴展模式，緩解裂隙尖端的應力、應變集中現象有利于防止裂隙的擴展。黃凱珠等[17]對三裂隙類巖石進行了雙軸壓縮試驗，研究發現隨著壓力的增大，預制裂隙逐漸閉合，導致內摩擦力增大，裂紋沿著最大主應力方向發展。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，根據巖石力學和斷裂力學相關理論，并結合高清工業相機和高精度應變片來進行含裂隙類巖石材料的雙軸壓縮試驗，研究發現試件局部應變峰值并不對應于其峰值強度，在加載過程中也沒有出現明顯的應力集中現象。

1.3 三軸壓縮試驗下含裂隙類巖石的力學特性研究

在單軸和雙軸壓縮試驗的基礎上，學者對不同裂隙數目、傾角及形狀下的類巖石進行了三軸壓縮試驗。肖桃李等[19]以砂漿預制單裂隙試件，在不同圍壓下進行三軸試驗，研究發現峰值強度和殘余強度隨著試件裂隙傾角的增大而增大，峰值強度隨著裂隙長度的減小而增大。黃彥華等[20]對不平行雙裂隙類巖石試件進行三軸壓縮試驗，研究發現試件的峰值強度、峰值應變均隨著圍壓的增加而增加，但峰值裂隙強度與傾角呈負相關。楊超等[21]對3 種不同裂隙傾角組合的非平行雙裂隙類巖石試件進行多級時效荷載下的三軸壓縮試驗，并將其與常規的三軸壓縮試驗進行對比，研究發現常規三軸壓縮試驗下試件強度均略大于多級時效荷載下的試件強度，且不同裂隙傾角下2種試件強度的大小順序一樣，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特性數值模擬研究

隨著關于預制裂隙巖石裂紋擴展研究的不斷深入，關于巖石裂隙擴展的數值模擬也得到了廣泛應用。Shen[22]采用數值模擬的方法對含裂隙類巖石試件進行單軸試驗，發現得到的裂隙擴展規律與試驗相同，相比之下，數值模擬方法更具優勢。汪中林[23]對單裂隙類巖石進行單軸壓縮試驗和三維有限差分程序（fast lagrangian analysis of continua，FLAC 3D）數值模擬，室內試驗數據均略大于模擬數據，但兩者總體趨勢一致，隨著裂隙傾角的增大，試件峰值強度先減小后增大。付金偉等[24]采用FLAC 3D 數值模擬方法對立體橢圓裂隙類巖石進行單軸試驗，研究發現三維裂隙與二維裂隙的受力情況相似，但裂隙擴展情況比二維要復雜，峰值強度隨著三維裂隙側壓的上升而增大。潘翔[25]采用顆粒流程序（particle flow code，PFC 2D）數值模擬方法對共面雙裂隙類巖石進行單軸壓縮試驗，發現類巖石試件的峰值強度與裂隙長度呈負相關（裂隙長度越短，峰值強度越大），隨著巖橋長度的增加，試件峰值強度先增大后減小。楊海平[26]通過對交叉裂隙類巖石進行單軸試驗并采用真實破裂過程分析（realistic failure process analysis，RFPA）軟件進行數值模擬，發現主裂隙傾角對峰值強度的影響顯著，當且僅當主裂隙的傾角為0°時，次裂隙才會對強度有明顯影響。米文靜[27]采用數值模擬方法分別對預制單裂隙、雙裂隙類巖石進行雙軸壓縮試驗，研究發現裂隙擴展優先從裂隙尖端開始。Huang等[28]針對預制3 種雙裂隙的類巖石試件，采用ANSYS AUTODYN 2D 數值模擬軟件來驗證三軸壓縮試驗，發現數值結果與試驗結果一致，裂隙擴展和貫通過程不僅與已有裂隙的幾何形狀有關，還與圍壓有關，且與圍壓相比，預制裂隙幾何形狀對試件峰值強度的影響更大。

2 含裂隙類巖石試驗研究的相關設備

現有的室內三軸試驗機功能系統主要包括數據采集和加載系統。為了進行裂隙類巖石試塊裂紋擴展試驗，武東陽等[29]在利用MTS816 巖石伺服試驗機進行單軸壓縮試驗的同時采用了聲發射和數字照相技術，對裂紋擴展的過程進行監測與記錄，并對試件進行連續拍攝，直至試件破壞，以記錄加載過程中試件表面的位移變化，如圖1 所示。從類巖石試件應力、聲發射與表面應變特征的關系中可以看出，裂隙類巖石試件的應力與聲發射以及表面應變特征之間存在顯著的相關性。

圖1 試驗設備(Fig.1 Test equipment)

如圖2 所示，為了實時監測巖石表面的應變場變化特征，郭奇峰等[30]在聲發射的基礎上增加了VIC-3D型三維表面應變場測量系統，以聲發射的突變信息為依據，并結合壓縮試驗過程表面最大的主應變分布來確定裂隙的起裂位置、起裂順序以及巖石破裂模式。Zhou 等[31]為深入研究在靜態地應力與動態擾動同時作用下巖石破壞的特征，采用改進的霍普金森桿進行沖擊試驗。為了研究微觀結構對試樣強度的影響，袁璞等[32]對試件進行掃描電鏡試驗，發現試件的松散會導致強度的劣化。

圖2 表面應變場測量試驗(Fig.2 Surface strain field measurement test)

3 含裂隙類巖石力學特性研究的發展趨勢

由于深部巷道圍巖處于“三高一擾動”的繁雜力學環境中，同時受到高地應力、高地溫、高滲透壓和強烈開采擾動的作用，導致其與淺部巖體的力學特性區別很大。為保證每個試件性質相同，采用類巖石來代替巖石進行試驗研究。經過幾十年的發展，針對含裂隙類巖石的力學探究，無論是機器研制、開拓性的研究成果，還是學者對其科學的認識，均獲得了實質性的進展?；诂F階段的研究，裂隙類巖石力學特性研究的發展趨勢包括如下幾點：

（1） 關于材料方面，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出的力學特性不同，目前研究對象基本上是相同材料的含裂隙類巖石，未來可針對不同材料和不同幾何形狀裂隙的耦合情況進行含裂隙類巖石的力學試驗。

（2） 關于錨桿方面，錨桿可增強巖體的力學性能，并具有抑制其變形的作用，目前關于加錨桿的含裂隙類巖石的試驗僅為單裂隙，未來可針對錨桿與多裂隙耦合的情況進行含裂隙類巖石的力學試驗。

（3） 關于滲流方面，孔隙靜水壓力和孔隙動水壓力均能降低巖石的強度，這會嚴重影響深部圍巖的力學特性，目前很少考慮滲流對含裂隙類巖石試驗的影響，未來可針對滲流情況進行含裂隙類巖石的力學試驗。

（4） 關于擾動方面，在擾動的影響下深部圍巖變形量增大，這大大降低了巖石的力學性能，目前很少考慮擾動對含裂隙類巖石試驗的影響，未來可針對擾動情況進行含裂隙類巖石的力學試驗。

4 結語

研究人員在裂隙類巖石力學特性方面已經取得豐富的研究成果，對深入了解裂隙類巖石特性起到了至關重要的作用，今后可在以下方面進行深入研究：

（1） 在實際工程中裂隙往往是不規則的，其受力也并不單一，應針對存在不規則缺陷的類巖石進行雙軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗，為實際工程提供更好的借鑒。

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

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

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