运用ANSYS法探讨软弱夹层对岩体破裂的影响

徐珂，戴俊生，冯建伟，付晓龙，王硕，刘超

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引言

软弱夹层广泛分布于地质体中，由于其塑性大，抗剪强度低，易造成地质体的不稳定。含软弱夹层的岩体在受力破坏时具有特殊的表现，其裂缝的产生和延伸比较复杂，现有的破裂准则难以精准描述它们的破裂规律。这一问题也给精细地质建模带来了困扰[1]。目前，在地质、力学及工程上研究软弱夹层对岩体破裂影响的学者不在少数。程强等[2]对典型红层软弱夹层剪切蠕变性质进行了研究，认为软弱结构面是边坡岩体失稳的关键；张德佳[3]系统研究了软弱夹层对边坡稳定性的影响及加固措施；张志强等[4]运用FINAL有限元软件模拟了不同厚度下软弱夹层的位移场与应力场变化，分析了其对岩体稳定性的影响；张冲等[5]从微观尺度出发，研究了微观岩石结构面变形的基本力学行为，为裂缝控制因素分析、预测和有效性评价提供了依据；许宝田等[6]采用自制装置，通过试验测试了岩体中软弱夹层的力学特性，对所得的应力-应变曲线进行比例极限、屈服点和峰值点的厘定；胡涛等[7]从微观入手，对沉积型软弱夹层的颗粒粒度、强度进行分析，确定了不同类型夹层的物理性状指标及强度间的相关关系。

利用ANSYS软件进行有限元数值模拟，可以对不连续的非均匀介质组成的岩体进行应力特征研究。整个岩体将被分为数目有限的单元，通过分析计算每个单元的应力场，进而综合分析所有单元来研究整体特征。每个单元的位移、应变及应力都可以经过计算得出，因此岩体在受力状态下的应力、应变及位移分布都可以直观地表现出来，并且可以分析裂纹及其尖端应力场的特征[8-11]。

本文在前人研究的基础上，通过岩石单轴压缩试验，并用ANSYS软件建立与实体1∶1的模型，根据真实情景加载约束与载荷，分析不同夹层特征的应力、应变及强度分布，以此推断和解释含夹层岩体的破裂规律。本研究对判断含夹层地质体的裂缝产生、发育与分布规律具有指导意义和参考价值。

1 岩石力学试验

岩石受到不同的构造应力作用时，将发生不同形式的变形，当所承受的应力超过极限抗压强度时，就会发生破裂并产生裂缝。由于不同岩石本身性质及所受应力条件不同，破裂的方式也不同。对于含夹层的岩石而言，夹层特征的不同必然导致破裂规律的差异。

研究利用相似原理，通过相似材料制成性质类似泥岩和石灰岩的材料，泥岩作为石灰岩的夹层。试验试件尺寸为φ50 mm×100 mm的柱体。通过对单一岩体进行三轴试验确定其力学参数。

式中：E 为岩石弹性模量，GPa；σ1，σ2分别为应力-应变曲线直线段开始和结束时的应力，MPa；εz1，εz2分别为应力-应变曲线直线段开始和结束时的轴向应变[10]，mm。

泊松比为岩石在三向压缩应力状态下侧向应变与轴向应变的比值：

式中：μ为岩石泊松比；εx1，εx2分别为应力-应变曲线直线段开始和结束时的径向应变，mm。

试验得到的参数见表1。

表1 各材料力学性质

3组试验分别对夹层数、厚度及间距不同时对整个岩体破裂产生的影响进行研究。对所有试件进行单轴压缩试验，导出试验过程中各个试件的应力-应变曲线（见图 1）。

图1 不同夹层特征模型应力-应变曲线

第1组模型研究夹层数对破裂的影响，模型分别含1层、2层和3层夹层，厚度均为5 mm；第2组模型研究夹层厚度对破裂的影响，厚度分别为5，10，15 mm；第3组研究夹层间距对破裂的影响，间距分别为5，10，15 mm，夹层厚度均为 5 mm。

2 数值模拟与分析

2.1 夹层数不同

岩体中含有不同数量软弱夹层，其应力-应变曲线见图1a。由图可见，含3层夹层的岩体具有较高的抗压强度，约为12.50 MPa，而仅含1层夹层岩体的抗压强度较低，约为10.50 MPa，故夹层数越多，整体的抗压强度越强，岩体越不易破坏。这是因为软弱夹层将应力缓冲，故能承受更大的压力，减轻破坏。

分别对3种不同夹层数的岩体进行数值模拟。使用ANSYS 15.0有限元分析软件，模型尺寸与实际试件按1∶1建立。层间采用Glue方式胶结，采用Solid 45单元进行网格划分，每个单元为8节点，铅直方向施加单轴挤压力。

模拟结果见表2。

表2 不同夹层数的数值模拟结果

分析数值模拟结果的应力、应变及强度分布，结果见表3。可以看出，3个模型的最小主应力（变）和中间主应力（变）特征相近，但含3层夹层的岩体的最小和中间主应力（变）大于含有1层和2层夹层的岩体。表2中还可以看到这样一个现象，在最小主应力和中间主应力的分布图中，泥岩的应力和交界面附近石灰岩的应力呈现出方向相反的状态。这是由于泥岩和石灰岩交界处的水平变形不一致，而石灰岩的弹性模量大于泥岩，且泊松比小于泥岩，导致泥岩的水平变形大于石灰岩。因此，在岩体受压达到峰值强度的过程中，由于变形特性的差异及变形连续静力平衡条件，在交界面附近上下两侧的石灰岩和泥岩在水平方向上必然会产生应力突变，就会在界面上产生方向相反的应力[11]。

最大主应力和最大主应变的分布较为明显。随着夹层数增多，泥岩承受的最大主应力增大，石灰岩承受的应力略有减小。应变分布表明，泥岩的应变量随夹层数的增多而增大，但是石灰岩的应变呈较小趋势。说明岩体中包含的软弱夹层越多，软弱夹层使应力缓冲，从而减少了石灰岩受力，减轻破坏。模拟结果与岩石试验结论一致。

2.2 夹层厚度不同

从图1b可以看出，软弱夹层厚度为最小时的单轴抗压强度最大，约为10.50 MPa，夹层最厚时的单轴抗压强度最小，约9.50 MPa。说明夹层厚度越大，岩体抗压强度越小。这是由于强度低、易变形的夹层在力的作用下会产生相对向外的拉张力，使它首先开裂、破坏，对整体强度产生影响，且夹层越厚越降低整体的抗压强度。ANSYS模拟结果可以验证这个结论。

表3 不同夹层数的数值模拟结果应力分布分析

模拟仅将岩体承受的载荷作为变量，为了看出应力-应变分布的显著变化，施加15 MPa载荷。

通过分析模拟结果（见表4）可以得出：最小主应力和中间应力为水平方向，主要影响岩体的横向膨胀变形，夹层越厚，水平向的膨胀、变形就越明显；在轴向上，夹层厚度越大，夹层承受的轴向挤压应力越大，岩体发生的应变与承受的应力状态表现一致；在最小、中间及最大应力方向的应变均随着夹层厚度增大而增大。因此，夹层的存在使整体岩块变得容易变形、破坏，夹层越厚，越易于遭受破坏，模拟结果与应力-应变曲线结论一致。

表4 不同夹层厚度的模拟结果应力分布分析

2.3 夹层间距不同

从图1c可以看出：夹层间的间距为5 mm时，其单轴抗压强度约12.50 MPa；间距为15 mm时，单轴抗压强度约为12.00 MPa；10 mm间距的单轴抗压强度介于两者之间。说明随着夹层的间距增大，抗压强度降低。这是因为夹层的存在破坏了岩体的完整性，试验模型尺寸不变的情况下，夹层间隔越大，主要成分的不连续性越大，故抗压强度会表现出减小；夹层间隔的增大也导致软弱层的分散，受力后软弱层首先发生裂纹，同时产生变形，影响了岩体整体的强度。

运用ANSYS进行模拟，夹层间距为唯一变量，轴向施加的荷载仍为15 MPa。分析模拟结果见表5。

表5 不同夹层间距的模拟结果应力分布分析

最小主应力和中间主应力在水平面方向垂直，在圆形截面上的表现基本相同。当间距为5 mm时，由于夹层厚度也为5 mm，受泥岩之间的相互作用，3层泥岩夹层间的2段石灰岩也可以看作是夹层。由于泥岩和石灰岩在力的作用下产生的变形量不同，会在界面处产生相反的应力。随间距的增大，泥岩之间的相互作用减弱，层间石灰岩的应力分布与岩体顶底部石灰岩的应力分布基本一致。

泥岩夹层的最大主应力随夹层间距增大而略微减小，而应变逐渐增大。对于层间石灰岩来说，由于被泥岩夹层分隔，石灰岩厚度较薄，但是承受的应力较大，故中部2段石灰岩比较容易变形、破裂；又因为泥岩本身强度小、易变形的特性，所以夹层间隔越大，不连续性越强，岩体越容易破坏，与应力-应变曲线呈现的结论相符。

3 结论

1）岩体软弱夹层的数量厚度、间距影响整体的强度。层数越多，对外力起到的缓冲作用越大，提高了岩体的抗压强度；厚度越大，强硬围岩的成分越少，整体强度变低，岩体容易破坏；间距大，被分隔的强硬围岩的不连续性就强，岩体整体被分散，整体强度就变低，易于变形、破坏。

2）ANSYS数值模拟法在本次研究中得到了合理而正确的应用，结果满足试验的要求并符合客观情况。

[1]江艳平，芦凤明，李涛，等.复杂断块油藏地质建模难点及对策[J].断块油气田，2013，20（5）：585-588.

[2]程强，周德培，封志军.典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（增刊 1）：3176-3180.

[3]张德佳.含软弱夹层岩质边坡稳定性分析及加固效应研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[4]张志强，李宁，陈方方，等.软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用[J].岩石力学与工程学报，2010，29（增刊 1）：2637-2644.

[5]张冲，谢润成，姚勇，等.深层致密砂岩储层岩石结构面微观力学行为特征[J].断块油气田，2014，21（5）：560-563.

[6]许宝田，阎长虹，陈汉永，等.边坡岩体软弱夹层力学特性试验研究[J].岩土力学，2008，29（11）：3077-3081.

[7]胡涛，任光明，聂德新，等.沉积型软弱夹层成因分类及强度特征[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15（1）：124-128.

[8]刘一伟，张继春，郭学彬，等.软弱夹层强度参数的室内模拟[J].西南科技大学学报，2007，22（1）：30-34.

[9]徐素国，梁卫国，莫江，等.软弱泥岩夹层对层状盐岩体力学特性影响研究[J].地下空间与工程学报，2009，5（5）：878-883.

[10]李银平，刘江，杨春和.泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25（12）：2461-2466.

[11]姜德义，任涛，陈结，等.含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（9）：1797-1803.