層狀巖體的損傷演化與破壞過(guò)程

1非金相巖體結(jié)構(gòu)層狀巖體的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它的形成過(guò)程經(jīng)歷了地質(zhì)時(shí)代的經(jīng)歷，經(jīng)歷了幾次地盾運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)變化和自然作用，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)的巖石。其中有層理、節(jié)理、片理等構(gòu)造缺陷。在微觀結(jié)構(gòu)上也會(huì)形成微孔隙、微裂紋或多相夾雜物等。構(gòu)成巖石的礦物晶體也會(huì)呈多種形態(tài)。層狀巖體由多形態(tài)微空隙、多礦物種類、多相、多構(gòu)造、多碎塊狀及呈層狀等構(gòu)成，其內(nèi)部受力與變形更為復(fù)雜，這必將影響巖石在各種巖土工程中的力學(xué)行為。由于在大量的實(shí)際工程中普遍存在層狀巖體。而層狀巖體常由多種巖石組成，研究它們的損傷演化及破壞機(jī)制對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性與安全性具有重要實(shí)際意義。對(duì)于有關(guān)層狀巖體的特征及其應(yīng)用，一些學(xué)者進(jìn)行了富有成果的研究，分別從剪切破壞、彎曲變形、鉸接拱變形、靜態(tài)力學(xué)參數(shù)等方面對(duì)巖層進(jìn)行了研究與探討，取得了不少進(jìn)展。本文對(duì)地下巖層巖樣運(yùn)用損傷力學(xué)等方法就其損傷演化及破壞規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)層狀巖體特性進(jìn)行了探討分析。2巖性顯微結(jié)構(gòu)所用試驗(yàn)巖樣根據(jù)課題要求，用鉆機(jī)取芯和人工刻槽取樣等方法從施工現(xiàn)場(chǎng)的層狀巖體取得巖樣，經(jīng)保護(hù)性封裝運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，其中主要含有細(xì)砂巖和灰?guī)r。此砂巖主要礦物為白云石、方解石，隱晶結(jié)構(gòu)，具微裂隙構(gòu)造，其網(wǎng)狀細(xì)節(jié)理中部分充填有方解石?；?guī)r主要礦物成分是方解石，另含有少量石英、長(zhǎng)石碎屑、黏土礦物和生物化石碎屑、微細(xì)星散狀黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等，其結(jié)構(gòu)一般為微晶結(jié)構(gòu)或隱晶結(jié)構(gòu)，顆粒致密而均勻，少量為細(xì)粒結(jié)構(gòu)。22#和13#巖樣電鏡照片分別如圖1,2所示，從圖中可見(jiàn)密集微孔隙群和微節(jié)理網(wǎng)，晶體之間結(jié)合細(xì)小而薄弱，構(gòu)成密集網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)。由于巖石是由各自不同礦物晶格及不同微尺寸、不同形態(tài)、不同構(gòu)造的三維網(wǎng)格構(gòu)成。其大小、數(shù)量及分布特征反映了巖石原始形成狀態(tài)、應(yīng)力歷史及初始損傷狀態(tài)。3抗應(yīng)力作用下的巖體結(jié)構(gòu)模型根據(jù)巖樣電鏡照片，可建立如圖3所示的加載初期巖石微結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀模型。它由若干彈性晶體構(gòu)成，其間空間為巖石的微孔隙。圖4所示為巖石單軸壓縮加載試驗(yàn)應(yīng)力–應(yīng)變曲線。根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程及所測(cè)得的應(yīng)力–應(yīng)變數(shù)據(jù)，將整個(gè)加載損傷及破壞過(guò)程分為3個(gè)階段：第一階段為ab段，此段曲線整體呈微上凹形，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而逐漸加速增長(zhǎng)，其中，ap段近似呈線性關(guān)系，而pb段的曲率稍大于ap段，隨著載荷的增加，變形增加，巖石試件有所壓縮，結(jié)合上述巖樣電鏡觀察分析，此時(shí)造成類似于巖石微結(jié)構(gòu)模型中晶體C,D相互靠近，即巖石內(nèi)某些微孔隙變形、閉合。其中某些晶格之間發(fā)生接觸和擠壓，產(chǎn)生“彈簧并聯(lián)”效應(yīng)，即致使巖石彈性模量有一定增加值。當(dāng)繼續(xù)增加載荷，使晶體C,D進(jìn)一步靠近時(shí)，點(diǎn)b發(fā)生接觸造成新的彈性晶體并聯(lián)效應(yīng)，從而使應(yīng)力增加速率有所提高。第二階段為bc段，從點(diǎn)b起，曲線彎曲方向轉(zhuǎn)變，點(diǎn)b為拐點(diǎn)，使bc段呈下凹形，即應(yīng)力增加速率不增反降。此時(shí)巖石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷開(kāi)始和擴(kuò)展，其后期累積演化到嚴(yán)重的不可逆損傷，晶格及結(jié)合面發(fā)生斷裂、分離、位錯(cuò)等，這是巖石從微損傷擴(kuò)展到宏觀破壞的前期過(guò)程。第三階段為cq段，是應(yīng)力從最高點(diǎn)c向下迅速跌落的過(guò)程。此間巖石應(yīng)變繼續(xù)加大，但應(yīng)力值卻急劇下降，當(dāng)繼續(xù)增加外載荷，應(yīng)力即迅速釋放降低。此時(shí)巖石試件損傷迅速擴(kuò)展、損傷微裂紋迅速擴(kuò)大成宏觀裂紋面，破壞范圍加大。4損傷演化方程以上述試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)所形成的軌跡特征為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石微結(jié)構(gòu)分析及損傷理論，運(yùn)用回歸計(jì)算方法，可得到在此整個(gè)加載損傷與破壞過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變的解析關(guān)系。曲線ab段為雙曲函數(shù)關(guān)系：式中：K1,K2為待定材料特征常數(shù)，不同巖石具有各自的初始晶格結(jié)構(gòu)，將確定相應(yīng)的曲線斜率和軌跡。曲線bc段為二次函數(shù)關(guān)系：式中：m為巖石損傷擴(kuò)展系數(shù)，它決定了損傷發(fā)展過(guò)程σ-ε曲線bc段的曲率；σc，εc分別為同類巖石破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值。曲線cd段為冪指函數(shù)關(guān)系：式中：C為巖石斷裂破壞系數(shù)，決定了巖石后期損傷擴(kuò)展及破壞速率。聯(lián)立式(2)～(4)即構(gòu)成巖石損傷及破壞全過(guò)程的本構(gòu)方程。對(duì)于小尺寸巖石試件，其試件內(nèi)部的損傷萌生及演化是隨機(jī)的，因此，可引入一損傷變量ω描述損傷演化過(guò)程。由上述巖石微晶格結(jié)構(gòu)模型分析及損傷與破壞演化過(guò)程特點(diǎn)，結(jié)合σ-ε全過(guò)程分析，其對(duì)應(yīng)的損傷–應(yīng)變曲線如圖5所示。建立損傷演化方程如下：式中：ωa為ε≤εb的巖石初始損傷值，可用微觀觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析等方法確定，多數(shù)巖石的ωa很小；K為與加載方式及巖石微結(jié)構(gòu)特征等有關(guān)的曲線ab段的微損傷擴(kuò)展系數(shù)，可由殘余應(yīng)變及應(yīng)變達(dá)到ωb時(shí)的損傷狀態(tài)確定。當(dāng)巖石強(qiáng)度高、加載時(shí)處于彈性狀態(tài)且無(wú)新?lián)p傷時(shí)，K≈0，此時(shí)ωb≈ωa；若加載后產(chǎn)生了微小損傷，則K≠0，且為一量值很小的系數(shù)，取值范圍為0≤K<1。損傷與應(yīng)力有類似的關(guān)系曲線。式(5)中ε>εb時(shí)的損傷方程，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力–應(yīng)變曲線bcd段的損傷演化過(guò)程。其中，εb對(duì)應(yīng)損傷加速起始點(diǎn)ωb的損傷值，B則對(duì)應(yīng)σ-ε曲線拐點(diǎn)p的損傷轉(zhuǎn)折系數(shù)，點(diǎn)p對(duì)應(yīng)于損傷曲線ω-ε曲線上的拐點(diǎn)；點(diǎn)c為損傷加速點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)于σ-ε曲線上的峰值點(diǎn)c。容易證明，損傷曲線上ωq=B/2+ωb。A為后期損傷破壞系數(shù)，可根據(jù)初始條件及狀態(tài)參數(shù)確定。根據(jù)實(shí)測(cè)，圖4中的砂巖可利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中拐點(diǎn)b的σb，εb值及ab曲線中部的一點(diǎn)σ，ε值求得K1=-5.71×10-2,K2=3.35×102；利用(σb，εb)及(σc，εc)可求得bc段對(duì)應(yīng)的m=1.83×105；再利用(σc，εc)值cd段上的實(shí)測(cè)σ，ε值可得曲線cq段對(duì)應(yīng)的系數(shù)c=1.78×106，于是此砂巖損傷及破壞全過(guò)程中的σ-ε曲線方程為對(duì)ab段微小卸載殘余應(yīng)變及微弱初始損傷預(yù)測(cè)，取K≈0，再利用ω=(1ε=εd時(shí))，ωq-ωb=B/2，實(shí)測(cè)得到的εd=5.36×10-3，εq=4.30×10-3，于是ωa≈ωb=8.5×10-2，故砂巖的損傷演化方程為在此條件下，據(jù)式(6)，(7)可對(duì)這類巖石的整個(gè)損傷與破壞發(fā)展過(guò)程及應(yīng)力–應(yīng)變規(guī)律有一個(gè)明確的描述，這與混凝土的分析法有所不同。5損傷演化規(guī)律及破壞機(jī)制根據(jù)上述巖石試驗(yàn)計(jì)算并對(duì)層狀巖體的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于有n層的水平層狀巖體，當(dāng)垂直于層面豎向加載時(shí)，其各亞層的應(yīng)變值εi在一般條件下是不相等的，即且各亞層的原始微結(jié)構(gòu)特征不同，因而各亞層的損傷值為雖有各亞層總載荷相等，即其名義應(yīng)力為但因損傷的出現(xiàn)使有效應(yīng)力變?yōu)楣矢鱽唽拥挠行?yīng)力為隨著載荷的不斷增大，最先出現(xiàn)損傷的是有效應(yīng)力大、應(yīng)變值大、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)脆弱的層狀巖體亞層，也是最先發(fā)生裂紋擴(kuò)展至破壞的巖層。但某一亞層最先出現(xiàn)損傷時(shí)，另一亞層也可能開(kāi)始損傷。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷及破壞導(dǎo)致大位移時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，使各亞層的損傷演化暫時(shí)緩和；當(dāng)繼續(xù)增加載荷時(shí)，破壞的亞層壓密后，應(yīng)力又繼續(xù)升高，損傷又得以繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)巖體總應(yīng)變?yōu)楦鲗訝顜r體亞層將依微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力值、初始損傷程度以及損傷演化擴(kuò)展速率而先后發(fā)生破壞。對(duì)于豎向?qū)訝顜r體，加載方向若是平行于層面施加，各亞層的豎向應(yīng)變值相等，即總名義應(yīng)力σΣ為由于各亞層內(nèi)微結(jié)構(gòu)的差異，其彈性模量Ei的變化規(guī)律不同，導(dǎo)致?lián)p傷演化方程(式(5))中的參數(shù)不同，因而在同一ε下，損傷值ω仍不相同，故有且確定的有效應(yīng)力仍不相等，從而損傷的萌生、發(fā)展直到破壞常不同時(shí)發(fā)生。由于垂直于層面豎向加載時(shí)，層狀巖體在某一亞層損傷破壞后會(huì)因應(yīng)力松馳而卸壓，因此，損傷與破壞先后次序常有漸進(jìn)協(xié)調(diào)的一定間隔；而平行于層面加載時(shí)，層狀巖體的某高強(qiáng)度亞層損傷破壞后常會(huì)導(dǎo)致相鄰亞層的有效應(yīng)力立即升高，使其損傷也立即加速擴(kuò)展，致使整體失去承載能力，所以其破壞通常是緊隨發(fā)生的。由此可見(jiàn)，該巖體具有各向異性特性。在二維或三維加載狀態(tài)下，傾斜或任意角度加載于層狀巖體的損傷與破壞，其本構(gòu)關(guān)系較復(fù)雜。它們的承載能力和變形特性主要取決于最大應(yīng)力的作用方向、各主應(yīng)力差值及各亞層的微結(jié)構(gòu)特征、層間結(jié)合特征。其基本損傷破壞過(guò)程與上述相似，只是其損傷萌生、演化、擴(kuò)展至破壞的速率將變緩，最終破壞失穩(wěn)的應(yīng)力閾值將升高。由此可知，垂直于巖體層面和平行于巖體層面所表現(xiàn)的力學(xué)特性具有顯著不同，將給實(shí)際工程巖體的穩(wěn)定性帶來(lái)明顯的影響，因此，需要根據(jù)層狀巖體的力學(xué)特性，由實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的各方面具體條件和工程地質(zhì)等工作來(lái)分析評(píng)價(jià)其工程穩(wěn)定性，并決定需要采取的設(shè)計(jì)與施工措施。6引入損傷演化與破壞過(guò)程的解析方程(1)從微觀電鏡研究入手，建立微結(jié)構(gòu)模型，分析整個(gè)加載損傷與破壞過(guò)程的內(nèi)在機(jī)制，進(jìn)而探求層狀巖體的損傷萌生、演化及破壞過(guò)程，有必要研究構(gòu)成它們的各亞層巖石的應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)莼^(guò)程，從而為計(jì)算預(yù)測(cè)提供依據(jù)。(2)將巖體損傷與破壞過(guò)程分為3個(gè)階段，各階段的解析方程能較好地描述巖體整個(gè)損傷演化與破壞失穩(wěn)歷程。(3)引入損傷變量及損傷擴(kuò)展系數(shù)，建立符合巖體整個(gè)損傷演化過(guò)程的方程，可較好地描述巖石加載過(guò)程中初期近似呈線性，隨后加速的過(guò)程。(4)層狀巖體的損傷萌生與擴(kuò)展直到破壞，除與加載大小、速率等有關(guān)外，還與載荷與層面角度、各亞層的內(nèi)部