| 标题 | 裂隙对岩石力学性质的影响原理 |
| 范文 | 沈飞 侯钦宽 李朝旺 沈萍 摘要：岩石断裂力学是断裂力学的分支。在岩石断裂力学中，岩石是由多个裂隙结合的复杂体，不是一个完整的均质体。断裂理论在岩石力学中的应用，能够很好地解释从裂纹萌生到裂隙贯通的全过程，进而揭示岩体的破坏机理。本文从岩石断裂理论及裂隙岩体断裂损伤机理两个方面重点综述了裂隙岩石对岩石力学性质的影响，并进行了理论分析与总结。 关键词：裂隙;岩石力学;力学性质 中图分类号：TU452文献标识码：A 近几年，伴随中国山区交通构建节奏的持续加快，施工环节中所面对的地质条件日益复杂。[1]尤其是在围岩节理发育环境下的隧道开挖，给施工产生了许多困难。岩体因为长时间处于相应的地质构造中，构成了不同形状的构造面（比方说层理、节理、还有断层破碎带等）。因此，原始完整的岩体构造反映出相对复杂的力学特征，如不均匀性、不连续性，依旧空间各向异性。但是裂隙岩体中流体渗流压力与裂隙的相互作用是裂隙岩体失稳破坏的核心因素。所以，揭示裂隙岩体的物理力学特点存在关键的理论分析，以及工程应用价值。 1 岩石断裂理论的研究现状 断裂现象在自然界中普遍存在，与人类生活是紧密联系的，所以一门新的学科——断裂力学得到了发展。斷裂力学最初的分析目标是金属等材料，也获得了许多重要的分析成果。[2] Griffith（1921）指出，材料中有着很多微裂纹。微裂纹的应力集中造成了裂纹的扩张，最终导致材料彻底破坏。在此基础上，构建了Griffith强度准则。根据这一标准在金属材料中的限制性，Orowan（1948），以及Irwin（1957）改进了Griffith强度标准，将其应用到金属材料，同时Irwin等人（1960）构建了基于弹性脆性材料的断裂准则，由此产生了线性弹性断裂力学。[3] 一九六八年，Rice（1968a）等人根据全塑性理论，获得了与裂纹尖端路径无关的J积分理论。J积分是描述裂纹尖端应力应变状态的综合度量。同年，Rice et al.（1968）又在J积分理论的基础上研究了表征弹塑性材料裂隙尖端的应力场的HRR奇异场，弹塑性断裂力学的主要参数J积分更为精确。在之后的几十年中，J积分作为弹塑性断裂力学中先对活跃的分析领域之一，也获得了不错的成果。[4] 鉴于断裂力学在金属等材料方面的不错成果，Price（1966）首次把断裂力学理论投入到岩石材料，并指出岩石裂缝的构成是由于表面能的增加。因为断裂力学理论可以从本质上体现出岩体破坏的机理，也就是裂隙引起的应力集中是岩体破坏的原因，所以国内外专家慢慢研究大量的断裂韧性试验方法、岩体的拉剪和压剪断裂，裂纹的萌生和扩张，还有动态扩展等。中国最初的断裂理论分析也从金属断裂方面开始。直到上个世纪七十年代末，国内专家开始探索岩石断裂的相应问题。一九七五年，张文友等人（1975）初步分析了断裂的形成、演化，以及发展与地质构造活动的联系。 目前，闭合裂缝的裂缝扩张分析已经比较成熟。很多专家利用较多的实验，以及数值研究发现，闭合裂缝扩张时只会出现拉裂缝，且拉裂缝方向接近最大周向拉应力方向。尽管在很多实验中产生了剪切裂纹，但它们都比拉伸裂纹出现得晚（Shen et al.，1995;Bobet et al.，1998;Wong et al.，2001;Lee et al.，2003;李银平等，2004，2006）。所以，采用最大周向拉应力理论、应变能密度因子理论，以及最大能量释放率理论当作断裂准则，以及断裂起始角分析（李世玉等，2010）。根据扩展有限元方法，构建了闭合裂纹在压缩载荷作用下扩展过程的数值模拟，并考虑了I型应力强度因子对裂纹扩展过程的影响，最终数值结果与实验结果吻合较好（周小平等，2010）。[6] 为了研究非闭合裂纹的断裂扩张，很多专家利用实验观察了裂纹的断裂模式，并采取理论，以及数值方法研究了裂纹几何特点对尖端应力场的影响。例如，对类似岩石材料展开的压缩剪切断裂试验表明，闭合裂缝和未闭合裂缝之间存在差异。首先，剪切断裂发生在未闭合的裂缝中。采用二维位移间断法对两种裂纹的应力场进行了分析比较（Vásárhelyi et al.，2000;Park et al.，2009;Bruno et al.，2013;Zhang et al.，2013）。车法星等人（2000）使用类岩石材料，分析了未闭合裂缝的压缩剪切断裂。研究发现，II型应力强度因子是促进裂纹萌生的因子，但是I型应力强度因子是压制裂纹萌生的因子。一些专家找出，裂纹的几何特性对裂纹尖端的应力强度因子存在较大的影响。分析了闭合裂纹尖端曲率半径对I型应力强度因子的影响。得到了单裂纹，以及多裂纹的断裂破坏模式（黄明利，2001;李银平，2003，2006;赵立军，2010）。很多分析还是没有系统地研究未闭合裂缝中裂缝的萌生，也尚未涉及到适用于剪切裂缝的标准。 孙宗杰等找出纯Ⅱ型加载无法产生Ⅱ型断裂，所以选择剪切箱法，通过施加轴向压应力抑制环向拉应力来测试Ⅱ型断裂韧性（饶秋华等，2001;郭少华等，2002;孙宗颀等，2002，2004）。一些专家还利用上下两端带有圆形凹槽的圆柱形试件展开了压缩检测，利用转换围压达到了I型和II型断裂，并测定了相应的断裂韧度（Backers et al.，2012;Jung et al.，2016）。所以，I型和II型断裂的出现是有一定条件的。如何确定产生何种类型的断裂以及选择何种合理的断裂准则尚需要基础分析解决。 根据断裂应力，还有破坏模式的特点，一般可划分成分三种基本断裂类型（李世宇等，2010）：张开型（I型）、滑动型（II型）、撕裂型（III型）。三种应力强度因子ki、kii和kiii分别代表了断裂端的三种应力形式，这三种类型的断裂不但能够单独发生，也能够同时发生。在岩土项目中，因为岩石的拉伸强度一般小于抗压，以及抗剪强度，因此岩石的断裂主要是I-II断裂或是I-II复合断裂。但是断裂动力学作为断裂力学的一个分支，旨在分析不可忽视的惯性效应情况。并且，它还涵盖应变率对材料性能的影响（Freund，1998）。[9]上个世纪六十年代中期之前，断裂动力学研究尚未取得明显进展，只是分析了相应简化的力学模型，通常用于裂纹扩张速度、分叉，还有止裂等层面的分析。这一学科最核心的基本概念、系统研究手段，以及相对成熟的实验分析方法是在上个世纪六十年代末至七十年代末构建的（沈承康，1996）。一九五一年，Yoffe（1951）提出了裂纹长度恒定的均匀裂纹扩展速率模型，并考虑惯性力的影响，定量研究了裂纹的分叉情况。Graggs（1960）指出了一种适用于半无限长裂纹的均匀裂纹扩展模型，假如裂纹表面受力，加载点伴随裂纹扩张而向前移动。然而，分析表明，yoffe和graggs发表的模型与现实情况不匹配。 Rice（1968b）导出了裂纹尖端在等速扩展下的渐近应力场和位移场。在这一前提下，指出了动态裂纹萌生和扩展、运动裂纹扩展、裂纹止裂，还有能量释放速率的判据。因为动态断裂的复杂性，仍有许多问题有必要去解决。[7] 与静态断裂力学不一样的地方是，当非平衡力作用于任何有裂纹的体积单元时，该单元将被加速以获取动能。裂纹系统属于是动态系统，Griffth，以及Irwin的静态平衡条件将不再满足。惯性效应的出现，也就是裂纹系统成为一个动态系统，起源于两个点（Rice，1968b）：一个是施加的载荷跟着时间变化很快;另一个是当裂纹扩张长度到不稳定长度时，裂纹迅速增长。在快速加载的条件下，动态响应可能备受加载脉冲特性持续时间的抑制，当应力波通过材料时，会影响载荷对裂纹的影响。为了明确裂纹在应力波作用下是不是进行扩展，就有必要获得作用于裂纹的瞬时驱动力。当裂纹迅速增长时，裂纹表面的材料颗粒利用裂纹的前端向两侧移动，而由移动产生的惯性阻力也会影响驱动力。所以，在完整描述动态断裂环节时，必须考虑惯性效应。此外，裂纹的快速扩展运动还与“运行”裂纹产生的应力波（卸载载波）有关。这对于地震学和相应材料测试技术是非常关键的。 按照惯性效应出现的两个方面，动态断裂力学通常划分成冲击断裂，以及快速断裂力学（Lawn，2010）。冲击断裂力学一般分析静态裂纹体在冲击或者是动载荷作用下的断裂现象;快速断裂力学通常分析迅速扩张裂纹尖端的运动现象，如裂纹萌生、扩展、加减速、止裂、弯曲，以及分叉。在高加载速率条件下，迅速扩张裂纹尖端周围的颗粒会受到裂纹尖端应力集中区的干扰。所以，裂纹速度对裂纹尖端运动的影响是非常重要的。 2 裂隙岩体的断裂损伤机理研究现状 项目岩体一般含有由宏观到细观，乃至于微观的相应水平的不足。其物理力学性质，以及长期稳定性是因为岩石块体的流变损伤特征，以及相应水平的不足决定的，相应水平的不足会导致相应的影响（Yang Gengshe等人，2000;Liu Hongyan等人，2013）。自Griffith指出能量扩张准则开始，很多专家对含裂纹连接材料的蠕变断裂，还有断裂损伤机理展开了较多的分析。 Kranz（1979）利用扫描电镜手段研究了花岗岩裂缝在荷载作用下的流变损伤扩展机理。研究指出，当外载荷实现相应程度时，裂纹数量随时间增加而增加。在加速蠕变过程中，裂纹的相互连接，以及归并是材料失效的因素。很多专家分析了裂隙岩体非线性变形，以及裂隙损伤扩张环节之间的关系，推导了强调损伤耦合效应的岩体非线性流变本构方程（杨燕毅，1994;陈伟忠，1999）。赵延林等（2008）利用实验观测，归纳了渗透压作用下压剪岩体的裂缝萌生，以及流变扩展规律，并在这一基础上构建了渗透压作用下岩体流变裂缝渗透准则。陈新等（2011）对预制裂隙缝石膏试件展开了单轴压缩试验，系统分析了裂隙渗透水平和倾角组合对岩体力学特性的影响。针对裂隙岩体，大多数专家把相应大小缺陷的损伤演化分开来分析，分析其对岩体力学性质的影响水平。 针对具有宏观裂隙节理的岩体，只强调宏观裂隙对于岩体力学性质的干扰，而没有强调岩体中微裂隙等细观缺陷的干扰，会导致损伤模型缺乏精准（王静等，2005）。 即使流变性能试验，还有本构模型分析涵盖工程领域的大部分岩石，但很少有结果能有效地指导工程实践。一是，岩石的流变特性被矿物组成、胶结水平、构架面分布、温度、湿度、地应力等实际地质环境所干扰。在实验室试验中无法同时兼顾到以上因素。二是，流变试验费时费力，一般情况下一套流变试验能够花费几年，乃至于是几十年的时间。所以，利用较多的试验，以及总结研究，采取一个准确有效的流变本构模型分析工程岩体的流变规律仍然是必要的。其中，裂隙节理演化对岩体流变力学特性的影响，还有本构模型的构建特别需要去进一步研究。 3 结论与展望 即使流变性能试验，还有本构模型分析涵盖工程领域的大部分岩石，但很少有结果能有效地指导工程实践。一是，岩石的流变特性被矿物组成、胶结水平、构架面分布、温度、湿度、地应力等实际地质环境所干扰。在实验室试验中无法同时兼顾到以上因素。二是，流变试验费时费力，一般情况下一套流变试验能够花费几年，乃至于是几十年的时间。所以，利用较多的试验，以及总结研究，采取一个准确有效的流变本构模型分析工程岩体的流变规律仍然是必要的。其中，裂隙节理演化对岩体流变力学特性的影响，还有本构模型的构建特别需要去进一步研究。 参考文献： [1]凌建明.节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题[J].力学进展，1994（02）：257-264. [2]赵启峰，孟祥瑞，劉庆林.采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析[J].煤矿安全，2008（04）：12-16. [3]赵延林，曹平，汪亦显，刘业科.裂隙岩体渗流——损伤——断裂耦合模型及其应用[J].岩石力学与工程学报，2008（08）：1634-1643. [4]徐筠，赵明阶.节理裂隙岩体渐进破坏机理研究综述[J].地下空间与工程学报，2008（03）：554-560. [5]刘仲秋，章青.岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展[J].力学进展，2008（05）：585-600. [6]刘泉声，黄诗冰，康永水，崔先泽.裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考[J].岩石力学与工程学报，2015，34（03）：452-471. [7]刘磊，贾洪彪，马淑芝.考虑卸荷效应的岩质边坡断裂损伤模型及应用[J].岩石力学与工程学报，2015，34（04）：747-754. |
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