缓倾层状岩体各向异性力学性能与破裂特征研究

郑传湉 朱星宇 张志强

摘要： 为研究缓倾层状岩体结构特性对其各向异性力学性能和破裂演化特征的影响，本文考虑不同结构面间距、强度、倾角等结构特征参数及模型尺寸效应，开展缓倾层状砂泥岩多因素影响试验研究. 基于颗粒流方法建立缓倾层状岩体数值力学模型，通过室内试验标定了层状砂泥岩参数，并验证了所建立模型的有效性. 通过颗粒流数值力学试验，创新性地研究层状岩体结构面的裂纹发育速率，进而揭示缓倾层状砂泥岩强度各向异性及破裂演化特征，确立其力学特性与结构面间距、强度、倾角三个结构特性之间的关系. 研究结论：（1）引入的平节理模型（FJM）与光滑节理模型（SJM）建立的离散元力学模型，能表征缓倾层状岩体强度各向异性力学特性与破裂演化过程；（2）缓倾层状岩体切线模量与强度，随层间距和层间强度的增大而增大，随结构面倾角的增大而减小，破裂特征受结构面的影响逐渐增大，基于单组结构面理论计算结构面发生剪切破坏的临界角度为24. 5°；（3）结构面裂纹的发育速度，随结构面间距的增大而减小、随结构面倾角的减小而减小，随结构面强度的变化不明显. 本文研究结果为缓倾层岩体隧道的力学行为与围岩稳定性研究提供了参考.

关键词： 缓倾层状岩体； 各向异性； 颗粒流； 破裂特征； 平节理模型； 光滑节理模型

中图分类号： TU45 文献标志码： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034004

1 引言

在砂泥岩、页岩、板岩等沉积岩为主的地层中，通常存在发育良好的结构面，它具有强烈的各向异性特征，且不同的结构特性通常会引起岩石力学特性的显著差异，进而对工程建设期及运营维护期内围岩和结构稳定性产生不可忽略的重要影响［1-4］. 对此，国内外学者进行了大量的研究.

在层状围岩隧道研究方面，张斌等［5］用3DEC软件对不同倾角下围岩应变场变化规律进行了研究. 李青刚等［6］通过现场监测研究了层状围岩的破坏模式与形成机制. 丁尧等［7］基于块体离散元理论对层状岩体隧道围岩稳定性进行了数值模拟分析. 现有的研究难以对层状岩体微裂纹的发育规律进行反演，并且在颗粒流方面对层状岩体的微观各向异性力学性能的研究尚不完善.

在基于颗粒流离散单元法研究方面，Hertz［8］计算了颗粒接触区域内的压力分布、接触力以及接触面的半径等；Antoyuk 等［9］研究了颗粒间接触力? 位移的本构方程的求解方法；Rumpf［10］与Schubert［11］的研究证实了连接的破裂力学行为由细观的黏接本构模型决定以及颗粒细观与宏观的相关性；王朝阳等［12］对离散元颗粒流数值模型的参数标定方法进行了研究. 同时，针对层状砂板岩的研究，何忠明等［13］、刘运思等［14］通过单轴及巴西劈裂试验揭示了层状板岩的各向异性强度特征和破坏机制；张鹏飞等［15］通过室内单轴以及巴西劈裂试验分析了层状砂岩的变形破裂过程.

学者们对层状岩体强度特征、破坏机制以及数值模拟方法进行了研究，但现有研究存在以下几个问题：（1）以往的试验大多为标准岩石力学试验试件，不能反映缓倾层状岩体的尺度效应，对宏观力学行为规律性的表征较弱；（2）采用有限元软件难以对岩石裂纹发育进行反演，对破裂特征的表征较弱；（3）大多数值力学模型采用平行粘结模型，难以模拟压拉比过大的岩石.

针对目前关于缓倾层状岩体研究存在的问题，本文结合室内试验和适用于层状岩体的数值分析方法，对缓倾层状砂泥岩开展研究. 采用具有自锁效应的平节理模型模拟具有较大压拉比的基质体，以光滑节理模型表征结构面滑移特性，建立缓倾层状岩体数值力学模型，以单轴压缩试验验证了所建模型的有效性，揭示了缓倾层状岩体尺度效应. 基于试验结果标定层状砂泥岩模型细观参数，进而分析结构面间距、强度、倾角等不同结构面特性影响下缓倾层状岩体各向异性力学性能与破裂演化规律.

2 缓倾层状岩石颗粒流数值力学模型

2. 1 Particle Flow Code（PFC）接触模型简介

2. 1. 1 光滑节理模型（SJM） SJM 可模拟具有膨胀性的平面界面的力学行为，不考虑界面上局部颗粒的接触方向. 通过将SJM 分配给位于连接两端的颗粒，可以对摩擦连接与胶结行为进行模拟. SJM 可模拟线弹性、胶结和摩擦的宏观力学行为，见图1. 胶结界面的行为是线弹性的，当超过其强度极限，粘结断裂. 胶结的SJM 满足库伦破坏准则. 无粘结界面是线弹性且带膨胀效应的摩擦界面，通过在剪切方向上施加库仑极限来调节颗粒间的滑移.