基于断裂力学浅谈危岩崩塌裂隙裂纹扩展

基于断裂力学浅谈危岩崩塌裂隙裂纹扩展

李春生

（重庆交通大学，河海学院，重庆400074）

摘 要：危岩崩塌是广泛发生的重大地质灾害，并造成了我国严重的经济损失因此，研究危岩破坏机制，从源头上实现主动防灾减灾，已逐渐成为学术界和工程界的共识。谈论了危岩发生崩塌的各种影响因素，并通过改变各种因素的方式对危岩崩塌进行治理，在断裂力学的基础上根据裂纹扩展的的方式，讨论了危岩发生的破坏机制，然后根据破坏机制进行有效的阻止裂纹的扩展，对危岩崩塌进一步进行治理，从而减少我国地质灾害产生的损失，更好发展建设。

关键词：危岩；断裂；影响因素；裂纹扩展

Discussion on crack propagation of collapse crack in dangerous rock based on fracture mechanics

LI Chunsheng

(School of Hehai, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

Abstract: The collapse of dangerous rock is a major geological disaster occurring widely, and has caused serious economic losses in China. Therefore, it has gradually become the consensus of academia and engineering circles to study the failure mechanism of dangerous rock and to realize proactive disaster prevention and mitigation from the source. Talked about the dangerous rock collapse of various influencing factors, and by changing the way of various factors to the governance of dangerous rock collapse, on the basis of fracture mechanics according to the crack propagation, the failure mechanism of dangerous rock is discussed, and then according to the failure mechanism, effectively prevent the propagation of the crack to governance of dangerous rock collapse further, So as to reduce the loss caused by geological disasters in our country, better development and construction.

Key words: dangerous rock; Fracture; Influencing factors; Crack propagation

0 引言

断裂力学是研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹扩展规律的一门学科。更具体地说，它是运用连续体力学的原理来研究带有缺陷的均质连续材料制成的工程结构件的强度与断裂条件。

断裂力学可以分为线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学两大部分。这也是断裂力学的基础，断裂力学中线弹性断裂力学的研究对象是带有裂纹的线弹性体，是以线弹性理论为基础，还应用了能量理论和应力强度因子理论，三种理论相互结合而形成的。在线弹性断裂力学中总体可分为三种基本的断裂形式，分为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂。

在地质灾害中依然存在关于断裂力学方面的研究，即危岩崩塌、滑坡、泥石流三种常见的地质灾害类型，现通过对其中的危岩的情况加以断裂裂纹扩展方面说明。

1 危岩发生破坏的因素

危岩，是正在开裂变形，并可能发生崩塌或滑坡的危险岩体或山体。危岩在石灰岩山区较为常见。危岩的开裂变形是其产生崩塌的原因，岩石发生破坏的机制，即岩石的完整度。

岩石的完整度越高，说明岩石产生的裂纹裂隙越少，相反，岩石的完整度越低，岩石中的裂隙就越

高。随着裂隙裂纹的扩展直至裂纹贯通，岩石发生破裂。影响岩石裂纹发生扩展的因素有很多，其中有岩石力学性质的影响因素和地质因素等，岩石发生破坏的因素是其综合影响下发生的，而并不是其中某种或者某一个。

1.1 岩石力学性质的影响因素

岩石力学性质的影响因素有围压、温度、时间这三个方面。

1）据实验表明，围压的增加可以提高岩石的弹性极限，提高岩石的强度极限，同时也可以提高岩石的塑形，围压对不同岩性的影响因素是不一样的，对于砂岩和花岗岩等，围压作用对岩石的塑形增加意义不大，而对于碳酸盐岩和膏盐等，围压的影响就较明显。当然围压的影响一般在地下洞室开挖较大，而危岩的围压一般由岩石自身重力产生。

2）除了围压的影响，还有温度和时间的影响，温度的升高将导致岩石脆性的降低，岩石塑性的升高，同时将降低岩石的强度，使松弛期和弹性后效应力期变短。而时间的影响包括岩石变形的速率和重复的次数。对石灰岩的实验表明，其弹性模量可以因加载速度快慢而有所不同。虽然影响岩石力学性质的因素众多，在实际地层中，影响岩石力学性质的因素可以归结为埋藏深度和构造运动的形式。因为随着深度的增加，压力和温度将随之增大。深

3）埋藏的岩石具有高温、高压，故其塑性增大，可以形成各种复杂的变形。

1.2 地质因素

储集岩的强度和塑性是确定裂缝密度的重要参数。强度大的岩石破裂的程度要比软弱岩石大。岩石强度和塑性又是构成岩石颗粒成分、大小和组构的函数，也是所经受的物理环境的参数。物理环境包括构造部位和受力状态。研究这些因素可以帮助我们分析裂缝的间距，进而预测裂缝的发育程度。

1）地层岩性。裂缝密度与岩石的成分有一定关系。含脆性组分多的岩石比含脆性组分低的岩石具有更密的裂缝。这些脆性组分主要有石英、长石、白云石和方解石。

2）孔隙度。随着孔隙度的增加，岩石的强度会降低。而且随着孔隙度的增加，岩石的杨氏模量、剪切模量和体积模量将降低。也就是说岩石孔隙度的增加虽然降低了岩石的强度，但同时增加了岩石的可压缩性。

3）粒度。组分的粒度减小会增加岩石的抗张和抗压强度。这种强度的增加是因为颗粒直径的减小导致颗粒表面能增加的结果。因此，粒度同样会影响裂缝的发育程度。而在火山岩地层中，还有一个影响岩石强度的因素是岩石的结构和构造。各种非均匀岩石结构、构造将会影响岩石的强度。

4）构造位置。岩石是否发生破裂和破裂的程度取决于岩层外部受力的状况和受力变形的程度。对于地下岩层来说，主要通过分析岩层所处的构造部位来解释其裂缝发育的程度。对于构造形变来说，裂缝发育于变形强烈的构造带，主要分布于构造变形最大的位置，即通常所说的构造曲率最大的位置，例如背斜的轴部。对于断层来说，裂缝主要分布于断层运动的消失端。

2  危岩体破坏的三维断裂表达

针对危岩形成机制的研究，学者们利用理论推导、试验研究、数值分析等手段得到了丰富的科研成果。通过分析梳理发现，以上科研成果大多着眼平面断裂问题的解答，处于静力学和宏观力学范畴，对危岩体主控结构面端部裂纹三维微观特性解读不够。如王家臣等 [1] 建立了边坡渐进性破坏的三维随机分析模型，比较发现三维模型更能描述边坡破坏过程，实用性更强，因此在危岩形成机制的进一步研究中应立足三维空间，考虑岩体形态特征，采用先进科学技术全面把握主控结构面裂纹分布情况，以断裂力学为主，多学科融合，科学揭示危岩形成机制[2]。但是裂纹在失稳扩展中，由于弹性能释放率大于裂纹的扩展阻力。故裂纹在芽展誠程中释放出来的弹性能，除了支付所需的表面能增量和形变功消耗外还有剩余，这部分剩余的弹性能就转变为动能，它表现为裂纹高越扩展时裂纹两侧材料的快速运动。

图1 动态扩展中的推动力曲线与阻力曲线

Fig.1  Propulsion curve and resistance curve in dynamic expansion

在各种因素作用下影响着弹性能量，从而决定了裂纹的扩展速率。

3、结论

危岩发生崩塌的影响因素有围压、温度、时间还有其他地质因素，本文在各种因素下的危岩裂纹扩展方式。

文献参考（References）：

[1]王家臣，谭文辉．边坡渐进破坏三维随机分析［J］．煤炭学报，

    1997,22（1）：27-31.                  

Wang Jiachen, Tan Wenhui. Three-dimensional stochastic analysis of progressive failure of slope [J]. Journal of China Coal Society, 1997,22 (1): 27-31.

[2]陈洪凯，秦鑫．危岩稳定性分析研究现状及趋势［J］．重庆交通

大学学报，2018，37(10): 50-60．

Chen Hongkai, Qin Xin. Research Status and Trend of Stability Analysis of Dangerous Rock [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University, 2018,37 (10): 50-60.