不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究_李杰林.pdf

102第31卷第1期2023 年 2 月Vol.31 No.1Feb.，2023Gold Science and Technology不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究李杰林1，2，王京瑶1，肖益盖1，2，李小双31.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000摘 要：岩体工程中的应力状态对围岩的稳定性具有重要影响。为研究地下巷道中岩体应力状态对围岩稳定性的影响规律，基于离散元理论，对地下巷道开挖过程的应力状态进行分析，开展了围压卸载轴压增加、围压卸载轴压不变和围压卸载轴压减少3种不同卸载路径下的三轴压缩数值模拟试验，并与常规三轴压缩试验进行对比，分析了不同应力路径下的岩石宏观强度特征及细观损伤过程差异性。结果表明：强度准则和应力张量状态不受卸载路径的影响，但不同应力路径下岩体的损伤过程不同，围压卸载轴压不变应力路径下的微观裂纹发育最密集，而围压卸载轴压增加应力路径下的裂纹丛集速度最快。研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩应力卸载破坏分析提供参考。关键词：应力路径；离散元；损伤过程；强度准则；应力张量；裂纹扩展中图分类号：TD853 文献标志码：A 文章编号：1005-2518（2023）01-0102-11 DOI：10.11872/j.issn.1005-2518.2023.01.101引用格式：LI Jielin，WANG Jingyao，XIAO Yigai，et al.Research on Meso-mechanical Properties of Rock Under Different Stress Paths Based on Discrete Element Method J.Gold Science and Technology，2023，31（1）：102-112.李杰林，王京瑶，肖益盖，等.不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究 J.黄金科学技术，2023，31（1）：102-112.在岩体工程中，岩体的应力状态对围岩稳定性具有显著影响。目前，国内外学者通过开展单轴压缩和常规三轴压缩等岩石力学试验来研究岩石在加卸载过程中的变形破坏情况（Li et al.，2017；胡光辉等，2018；赵博等，2021）。然而，在实际开挖施工过程中，岩体主要呈现径向处于卸载、轴向处于加载的应力状态，该应力状态引发的工程问题屡见不鲜（Fan et al.，2021）。因此，传统的研究方法所得到的结果不能真实反映岩体所处的应力状态，在指导工程施工过程中面临着诸多困难。在工程施工中，由于应力卸荷对岩石的稳定性会产生影响，因此岩石的卸荷过程及岩体稳定性变化特征研究得到了广泛关注。Zhang et al.（2021）通过设计三轴循环加卸载试验研究了恒定围压和降低围压2种状态下砂岩的弹性模量、泊松比和损伤变量的演化规律，获得了岩石延展性和脆性随应力变化的演化特征。Yang et al.（2022）基于轴向应变变化率和径向应变变化率对围压加卸载条件下的岩石力学性能进行研究，认为围压加卸载过程对试样的径向应变特征影响较大，对轴向应变特征影响较小。Zhao et al.（2021）对轴向应力恒定、不同初始径向应力和匀速卸载径向应力条件下的砂岩进行力学响应分析，研究表明岩石会发生一定程度的剪切剪胀效应，但剪胀系数与岩石所受围压之间并不存在明显的内在联系。以上研究从不同角度对地下工程开挖过程中的岩石应力加卸载特征进行了 收稿日期：2022-08-10；修订日期：2022-10-19基金项目：湖南省自然科学基金项目“寒区冻融循环作用下裂隙岩体损伤局部化效应研究”（编号：2020JJ4712）、金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题“深部高应力巷道围岩结构面与危险块体自动识别方法研究”（编号：2020-JSKSSYS-06）和浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室开放研究基金项目“深部高应力硬岩开挖卸荷的时变力学特性及其变形破裂机理”（编号：ZJRMG-2018-Z03）联合资助作者简介：李杰林（1982-），男，湖南宁远人，博士，副教授，从事采矿工程与岩石力学研究工作。分析，得到了实际工况下岩石宏观力学性能和部分微观力学性能的演化规律，对地下工程岩体开挖具有重要的参考价值。然而，以室内试验研究来反映地下工程中的岩石开挖应力卸载效应及力学特征尚存在一定的局限性，且由于试验条件和岩石种类的差异性，得出的结论适用性也存在较大的争论。目前有学者认为应力路径对岩样强度不会产生显著影响（Swan-sson et al.，1971；Crouch，1972；陈旦熹等，1982；吴玉山等，1984），也有学者认为地下开挖导致的卸荷作用会使得岩石强度降低（高春玉等，2005；汪斌等，2008；赵国斌等，2013）。产生上述分歧的主要原因是岩样加工过程中初始损伤程度不同、试验中所采用的荷载控制方法不同及重复样本数量较少，从而造成试验结果离散误差大于应力路径对强度影响的真实范围。离散元颗粒流程序（Particle Flow Code，PFC）在岩土工程领域应用广泛，不仅可以模拟岩石晶粒之间的黏结，而且可以实时监测岩石损伤过程中微裂纹的发展（石崇等，2018）。鉴于此，通过离散元数值模拟试验方法开展地下巷道开挖过程中的围岩真实应力路径分析能够有效克服上述问题，且由于离散元方法能够同时考虑岩石损伤的累积效应、微裂纹的扩展和丛集情况等，模拟结果具有较高的可靠性，该研究方法已被广泛应用于各类岩土工程中（O Sullivan，2011；Liu et al.，2013；Coetzee，2017；Abousleiman et al.，2020；Meng et al.，2021；Li et al.，2021）。本研究基于离散元法，开展不同卸载路径下的砂岩三轴数值试验，分析不同卸载路径下岩石宏观强度特征及细观损伤过程的差异性，研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩卸载破坏分析提供参考。1 地下巷道开挖过程的不同应力路径分析1.1 不同应力路径分析许多学者开展了地下巷道开挖现场的监测工作（周瑞光等，1996；刘国磊等，2011；陈岩，2018），通过这些现场监测数据分析发现，在埋深约为100 m的巷道开挖过程中，存在典型的围压卸载轴压增加、围压卸载轴压不变和围压卸载轴压减少3种应力状态，且岩体破裂特征存在显著差异。为了分析地下巷道开挖过程中上述3种应力路径变化特征，采用离散元数值模拟方法进行了模拟试验，采用“wall”命令设置模型边界，并选择能够反映岩石力学性质的平行黏结模型（Parallelbon-ded contact）进行建模，如图1所示。其中，假设该巷道开挖的应力状态由自重应力提供，巷道埋深约为100 m。考虑到巷道开挖过程中，巷道顶部和底部区域处于轴向卸载、横向加载状态，这种情况下只有原始的节理和断层会引发巷道塌陷，不会造成加载破坏；同时，在巷道开挖过程中，巷道两帮处于轴向加载、横向卸载状态，此种状态会对巷道的稳定性产生重要影响。由于巷道左右两帮的应力状态相似，故在巷道左帮下部、左帮上部及两巷道连接中线上分别布置应力圆进行应力监测，其应力状态如图1所示。当时间步长为0时，表示未开挖自重平衡的应力状态，当应力趋于平稳时，表示开挖之后自重平衡的应力状态。由图 1 可以看出，开挖后巷道围岩应力出现重新分布，即水平方向出现了不同程度的卸载，竖直方向上经历加载、恒定和卸载3种调整方式，该结果与上述工程实际中的应力状态相符。而常规的三轴加载试验中往往采取的是恒定围压、增加轴压的应力加载路径方式，该加载方式显然不能真实反映巷道开挖过程的应力状态。1.2 不同应力路径加载试验方案在岩石加卸载试验中，由于体应变转折时岩石内部损伤加快，岩石会从稳定状态向不稳定状态过渡，应力应变曲线从线弹性阶段向塑性阶段过渡，裂纹开始扩展。此种状态在工程中容易引发灾害，故将应力应变状态的体应变转折点视为卸荷点，认为该点为岩石状态的脆延性转折点。根据已有成果及数值模拟结果，提出了描述巷道开挖过程应力状态的4种应力路径，即围压卸载轴压减少（方案1）、围压卸载轴压不变（方案2）、围压卸载轴压增加（方案3）和围压不变轴压增加（方案4），如图2所示。参照相关文献（钟志彬等，2014），确定常规三轴压缩试验的围压为 060 MPa，静水压力的加载速率为2 MPa/min。试验过程按照国际岩石力学学2023 年 2 月 第 31 卷 第 1 期103李杰林等：不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究分析，得到了实际工况下岩石宏观力学性能和部分微观力学性能的演化规律，对地下工程岩体开挖具有重要的参考价值。然而，以室内试验研究来反映地下工程中的岩石开挖应力卸载效应及力学特征尚存在一定的局限性，且由于试验条件和岩石种类的差异性，得出的结论适用性也存在较大的争论。目前有学者认为应力路径对岩样强度不会产生显著影响（Swan-sson et al.，1971；Crouch，1972；陈旦熹等，1982；吴玉山等，1984），也有学者认为地下开挖导致的卸荷作用会使得岩石强度降低（高春玉等，2005；汪斌等，2008；赵国斌等，2013）。产生上述分歧的主要原因是岩样加工过程中初始损伤程度不同、试验中所采用的荷载控制方法不同及重复样本数量较少，从而造成试验结果离散误差大于应力路径对强度影响的真实范围。离散元颗粒流程序（Particle Flow Code，PFC）在岩土工程领域应用广泛，不仅可以模拟岩石晶粒之间的黏结，而且可以实时监测岩石损伤过程中微裂纹的发展（石崇等，2018）。鉴于此，通过离散元数值模拟试验方法开展地下巷道开挖过程中的围岩真实应力路径分析能够有效克服上述问题，且由于离散元方法能够同时考虑岩石损伤的累积效应、微裂纹的扩展和丛集情况等，模拟结果具有较高的可靠性，该研究方法已被广泛应用于各类岩土工程中（O Sullivan，2011；Liu et al.，2013；Coetzee，2017；Abousleiman et al.，2020；Meng et al.，2021；Li et al.，2021）。本研究基于离散元法，开展不同卸载路径下的砂岩三轴数值试验，分析不同卸载路径下岩石宏观强度特征及细观损伤过程的差异性，研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩卸载破坏分析提供参考。1 地下巷道开挖过程的不同应力路径分析1.1 不同应力路径分析许多学者开展了地下巷道开挖现场的监测工作（周瑞光等，1996；刘国磊等，2011；陈岩，2018），通过这些现场监测数据分析发现，在埋深约为100 m的巷道开挖过程中，存在典型的围压卸载轴压增加、围压卸载轴压不变和围压卸载轴压减少3种应力状态，且岩体破裂特征存在显著差异。为了分析地下巷道开挖过程中上述3种应力路径变化特征，采用离散元数值模拟方法进行了模拟试验，采用“wall”命令设置模型边界，并选择能够反映岩石力学性质的平行黏结模型（Parallelbon-ded contact）进行建模，如图1所示。其中，假设该巷道开挖的应力状态由自重应力提供，巷道埋深约为100 m。考虑到巷道开挖过程中，巷道顶部和底部区域处于轴向卸载、横向加载状态，这种情况下只有原始的节理和断层会引发巷道塌陷，不会造成加载破坏；同时，在巷道开挖过程中，巷道两帮处于轴向加载、横向卸载状态，此种状态会对巷道的稳定性产生重要影响。由于巷道左右两帮的应力状态相似，故在巷道左帮下部、左帮上部及两巷道连接中线上分别布置应力圆进行应力监测，其应力状态如图1所示。当时间步长为0时，表示未开挖自重平衡的应力状态，当应力趋于平稳时，表示开挖之后自重平衡的应力状态。由图 1 可以看出，开挖后巷道围岩应力出现重新分布，即水平方向出现了不同程度的卸载，竖直方向上经历加载、恒定和卸载3种调整方式，该结果与上述工程实际中的应力状态相符。而常规的三轴加载试验中往往采取的是恒定围压、增加轴压的应力加载路径方式，