贯通节理的倾角和粗糙度对岩石破坏模式的影响分析*

高臻炜，陈世江，杜广盛，焦文彦，古运峰

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.太原辰宇市政工程有限公司，山西 太原 030024)

经过自然界的地质作用，岩石内部存在着各式节理，节理控制着岩石强度.当节理发生扩张、贯通、剪切等破坏后，均会发生岩石失稳，从而导致各项工程事故.因此，在工程实践时，节理对施工进度会产生较大影响.而近年来，探究节理影响岩石强度规律及产生裂隙的演化规律已成为学者们研究的重点.

目前，众多学者对含节理岩石地破坏模式进行研究，并取得了丰硕成果.沈明荣等[1]对齿状结构面在不同法向力下进行剪切，并对节理的破坏形式进行了分析.邓华锋等[2]对节理进行反复剪切，观测节理强度的变化趋势.同时，还有一些学者[3～5]应用3D打印机获取精准天然节理.然而传统的室内试验无法观测到岩石破坏裂隙的发展，故许多学者采用声发射等方式进行监控，杨圣奇等[6]对不同粗糙度节理进行了3轴试验，并通过声发射观测粗糙度对节理的演化规律的影响.于辉等[7]人对锯齿状大理岩进行了剪切研究，并采用声发射进行监测.另一方面，数值模拟试验也可再现岩石破坏过程，黄达等[8]通过应用PFC2D，对单裂隙砂岩进行了单轴试验并观测其破坏裂隙发展规律.肖尊群等[9]同样应用PFC2D对泥质粉砂岩进行双轴试验.

基于上述研究，故运用PFC2D软件对贯通节理进行单轴试验，重点研究贯通节理的倾角、粗糙度对岩石破坏模型的影响.

1 PFC模型的构建

1.1 选取颗粒接触模型

对于采用PFC数值软件进行数值试验来说，颗粒间的接触模型是非常重要的影响因素.在进行模拟前，需将颗粒间的接触模型进行规定，在PFC中接触模型较多，本次选取的接触模型为线形刚度模型及平行黏结模型，上述2模型主要差别为颗粒间的黏结力.线形刚度模型，颗粒间无黏结力，不可抵抗旋转；平行黏结模型颗粒间存在黏结力，可以传递力和力矩，但当颗粒间的黏结键断裂后，此时黏结模型与线形模型性质一直，故此2种模型配合即可生成岩石模型.

1.2 颗粒参数的选取

为保证试验现象较为直观，本次选取的岩石为砂岩，颗粒参数参考肖尊群等[9]的泥质粉砂岩细观参数，具体参数见表1所示.

表1 数值模拟各参数

1.3 数值模拟的建立

采用PFC对含节理岩石进行单轴试验，步骤如下：

(1)选取节理.本次所用节理自Bardon线中选取3条，分别为2-4(光滑节理)、8-10(粗糙节理)、16-18(极粗糙节理)3条线,如图1.

(2)岩石初始平衡.为保证节理贯通岩石，需将岩石分为上下2盘.试验采用CAD绘制岩石轮廓，选取的尺寸为5 cm×10 cm标准岩石试件尺寸，岩石内部节理倾角为30°，45°，55°，将绘制好的岩石轮廓导入至PFC生成墙体，之后在墙体内生成颗粒.

(3)添加细观参数.由于上述岩石颗粒间为线形刚度模型，故此时需改为平行黏结模型，同时添加颗粒的细观参数.

(4)进行单轴抗压试验，加载速度为0.1 m/s，监测各岩石强度及裂隙分布状态.试件模拟过程如图2所示.

2 岩石破坏模式分析

2.1 加载过程分析

通过分析岩石加载过程，了解节理受力状态，分析岩石的破坏模式.本次以含2-4型45°节理岩石为例，分析加载过程，如图3所示，具体可分为如下5个阶段：

(1)初始加载阶段(AB段)，该阶段岩石未发生明显变形，主要的变形方式为弹性压缩变形.

(2)拉伸破坏阶段(BC段)，如图4所示，由于部分法向力被分解为剪切力，此时上下两盘未发生滑动，内部裂隙沿节理尖端方向开始扩张，产生拉伸力，该段为岩石内部裂隙发展的主要阶段.

(3)过渡阶段(CD段)，随着法向力的增大，当被分解的剪切力强度超过C点时，上下2盘开始滑动.

(4)剪切阶段(DE段)，该段节理主要发生的破坏形式为剪切，2盘发生滑动，E点为剪切峰值.

(5)峰后阶段(E点后)，由于岩石节理周围产生裂隙，伴随着法向力的增大，在峰后裂隙迅速扩张，直至岩石完全被破坏.

综上所述，含贯通节理岩石的破坏方式，主要是随着法向力的增加，由拉伸破坏转变为剪切破坏.

2.2 贯通节理裂隙扩张分析

为了解节理的粗糙度及倾角对岩石发生破坏模式的影响，需对岩石产生的裂隙状态进行分析，如图5所示.

通过观测3组岩石试件，讨论倾角、粗糙度对岩石破坏模式的影响.(1)当节理倾角一致时，(a)组节理倾角为30°，所产生裂隙与节理呈垂直状，此时岩石的破坏模式为拉伸破坏；(b)组倾角为45°，垂直状裂隙发育减少，而平行节理的裂隙开始衍生；(c)组倾角为55°，岩石上下盘开始发生明显地滑移现象，平行节理的裂隙分布较多，此时岩石的破坏模式为剪切破坏.(2)当节理粗糙度一致时，2-4节理较为平直，产生垂直状裂隙较多，抗剪切强度较低，滑移较为明显，主要发生拉伸破坏；8-10，16-18产生裂隙较少，抗剪强度较高，主要发生剪切破坏.(3)配合图3分析可得，节理倾角较小、粗糙度较低的岩石主要发生破坏的阶段为BC段，反之，节理倾角较大、粗糙度高的岩石主要发生破坏的阶段为DE段.

3.3 破坏模式对峰值强度的影响及分析

各岩石抗压峰值结果见表2所示.

观测岩石破坏模式对峰值强度的影响，如图6所示，当同一倾角时，随着节理粗糙度增加，岩石峰值强度呈增涨趋势；当粗糙度相同时，随着倾角的上升，1组岩石峰值呈递减趋势，2,3组岩石呈现先减小后增加的现象，造成趋势变化的主要原因是倾角的上升将岩石的破坏模式由拉伸破坏变为剪切破坏，而光滑节理的抗剪强度较低，故峰值趋势不一致.

4 结论

(1)通过分析岩石加载，了解含贯通节理岩石的破坏过程.随着法向力的增加，岩石的破坏方式为先产生拉伸破坏，后边为剪切破坏.

(2)受节理倾角、粗糙度影响，岩石发生主要破坏的阶段也不一样.当节理的倾角或粗糙度较小时，破坏方式为拉伸破坏，当节理的倾角或粗糙度较大时，破坏方式为剪切破坏.

(3)通过对比3组岩石的峰值强度，分析破坏模式对峰值变化的影响.结果表明:随着倾角增长，含光滑节理岩石峰值趋势呈递减，含粗糙节理岩石峰值趋势呈现先减小后增加，而造成趋势不一致的原因为，节理的粗糙度导致岩石的破坏模式发生改变.

表2 各岩石抗压峰值强度