2016, Vol. 37
2.大连理工大学 岩石破裂与失稳研究所, 辽宁 大连 116024;
3.东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
2.Institute of Rock Instability and Seismicity Research, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
3.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
岩芯饼化是深部及高地应力状态下岩石钻芯所发生的现象.我国的拉西瓦水电站、二滩电站、锦屏Ⅱ级水电站等都存在岩芯饼化现象.实践观察和理论分析表明，地应力大小与钻芯是否会出现饼化及岩芯饼化的厚度有着内在的联系[1].
自20世纪50年代末期，国内外就开始了岩芯饼化现象的研究并将其确定为推测高地应力的方法之一.Jaeger等[2]发现：岩体所受水平应力越高，岩芯越易饼化，且认为饼化是张拉破坏的结果.Obert等[3]通过试验发现岩芯饼化始于岩芯外表面，并认为饼化是由剪应力引起的.侯发亮[4]推导出了岩芯饼化的临界地应力公式及地应力与岩饼厚度的关系式，并应用该公式推测出二滩地应力.
近些年来，国际学者开始更加重视地应力值与岩芯饼化的关系，并借助物理实验和数值模拟对其加以研究[5-8].Lim等[7]对Lac du Bonnet花岗岩进行现场试验，分析了地应力值与岩芯饼化的关系.Corthésy等[8]通过FLAC软件建立了二维应变软化模型，并模拟了岩芯饼化产生的机制.
综上所述，岩芯饼化现象的发生是一个复杂的力学过程，其中涉及很多的影响因素，而国内外对岩芯饼化影响因素的研究很少[1].本文借助真实破裂过程分析软件(RFPA2D[9])建立了一系列的数值模型方案，通过数值模拟实现了裂纹扩展过程的可视化，从而观察到岩饼形成的各个阶段，为获取地应力与岩芯饼化的关系提供了新的研究思路.
1 数值模拟方案由于岩芯饼化现象与地应力密切相关，因此，有必要分别对径向应力与轴向应力对岩芯饼化所起的作用进行研究.如图 1所示，模型共设置三种加载方式并固定大小保持不变.模型大小为500 mm×500 mm，划分500×500=250 000个单元，岩芯直径为40 mm，岩芯总长240 mm.依据Obert等[3]的试验结果，忽略了钻头压力及水压对岩芯饼化的影响.本次模拟所采用材料的力学参数如表 1所示.
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图 1 不同加载方式 Fig.1 Different loading method (a)-径向应力加载；(b)-轴向应力加载; (c)-双向应力加载. |
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表 1 花岗岩细观力学参数 Table 1 Mesoscopic mechanical parameters of granite |
由图 2可知，径向应力在5~30 MPa之间时，没有出现饼化现象，但当径向应力达到35 MPa时，如图 2c所示，微裂纹开始在岩芯底部出现，并形成长度不一的岩饼.当径向应力继续增大到58 MPa时，形成了等间距的上凹下凸的“灯盏状”的岩饼，如图 2d所示，文献[10]对这种形状岩饼的形成机理进行了详细分析.由图 2可知，径向应力是引起岩芯饼化的重要因素，而且随着径向应力的增大，岩饼的厚度越来越薄.
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图 2 不同径向应力下的剪应力破坏 Fig.2 Shear failure under various radial stresses (a)-5 MPa；(b)-30 MPa; (c)-35 MPa；(d)-58 MPa. |
根据岩芯饼化时主裂纹出现的位置，沿着主裂纹方向截取了单元应力的数据信息(图 3~图 5).由图 3可知，随着开挖的进行，单元所受的最大剪应力逐渐增大.这是由于开挖使得单元应力得以释放，并在岩芯根部出现应力集中进而使底部岩芯单元承受了更大的剪应力.图 4和图 5的主应力曲线表明，单元受到了拉压应力的作用.侯发亮[4]认为饼状的形成可能是由于剪应力和主拉应力所引起的破坏，而本文中数值模拟的结果正好验证了该作者的推侧.
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图 3 最大剪应力曲线 Fig.3 Maximum shear stress curves |
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图 4 最大主应力曲线 Fig.4 Maximum principal stress curves |
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图 5 最小主应力曲线 Fig.5 Minimum principal stress curves |
结合破坏图和应力曲线图可知，在只有径向应力的条件下，随着径向应力的增大，岩芯逐渐出现饼化现象，而且岩饼越来越薄，其形状为“灯盏状”，岩芯饼化过程主要受剪切破坏，伴有少量的拉破坏.由此可见，径向应力是引起岩芯饼化现象的重要因素之一.
2.2 只含轴向应力时的岩芯饼化分析由图 6可知，随着开挖的进行，由于卸载引起的轴向应力的调整只对岩芯表面产生了局部破坏，且破坏没有往岩芯内部发展.因此，轴向应力的增大仅使岩芯表面发生了严重破坏，而对岩芯内部几乎没有影响.比较图 2和图 6可知，轴向应力引起的岩芯饼化现象与径向应力引起的结果相差甚远.为了更容易说明轴向应力对岩芯饼化的影响，本文列举了轴向应力为100 MPa时破坏的应力图并对其加以分析，但在实际工程中的轴向地应力要低于此值.
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图 6 不同轴向应力下的剪应力破坏 Fig.6 Shear failure under various axial stresses (a)-20 MPa；(b)-60 MPa; (c)-100 MPa；(d)-200 MPa. |
由图 3可知，岩芯内部发生剪切破坏时的最大剪应力基本都大于40 MPa，而图 7所示的岩芯内部单元在低于20 MPa时即可达到最大剪应力，只有岩芯表面的局部位置达到了40 MPa.可知，轴向应力没有使岩芯内部单元达到自身的抗剪强度，从而岩芯内部没有发生破坏.图 8所示的岩芯表面单元所受的最小主拉应力在-20 MPa以下，超过了单元的抗拉强度，从而使得岩芯表面发生了破坏.由此可知，随着开挖的进行，轴向应力只在岩芯表面产生较大的剪应力和拉应力，并使单元发生破坏，而在岩芯内部只产生了低于抗剪强度的剪应力值，单元并没有发生破坏.因此，轴向应力只是引起岩芯表面产生局部破坏，且轴向应力不是引起岩芯饼化现象的主要原因，这一点Obert等[3]已经通过物理试验证实.
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图 7 最大剪应力曲线图 Fig.7 Maximum shear stress curves |
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图 8 最小主应力曲线 Fig.8 Minimum principal stress curves |
由以上分析知，径向应力对岩芯饼化的产生起到了主要作用，而轴向应力只是在岩芯表面产生局部破坏.将径向应力固定为50 MPa，逐渐变化轴向应力，其径向应力与轴向应力的比值(以下简称应力比)分别为2.5，1.25，1.0，0.5，计算结果如图 9所示.
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图 9 不同应力比下的剪应力破坏 Fig.9 Shear failure under various stress ratios (a)-应力比为2.5；(b)-应力比为1.25; (c)-应力比为1.0；(d)-应力比为0.5. |
结合图 2和图 6的岩芯破坏情况，以及图 9的计算结果可知，随着轴向应力的增大(应力比减小)，岩芯饼化现象逐渐减弱，即图中箭头所指位置：从岩芯端点向下来看，上部饼化现象随着应力比的减小逐渐减弱.计算结果表明，应力比值小于1.25时可以阻止岩芯形成完整的岩饼，只是在表面形成局部的破坏.
为了进一步分析应力比所起到的阻止作用，现以应力比为0.5为例，结合三种不同加载情况下的应力图进行分析.就岩芯内部而言，图 5所示的拉应力数值在-5~-15 MPa之间，图 8所示的拉应力数值在-10~30 MPa之间，而图 10所示的拉应力数值在-25~25 MPa之间.这说明由于轴向应力引起的单元应力与由于径向应力引起的单元应力的方向在岩芯内部是相反的.轴向应力越大，其数值越接近径向应力引起的单元主应力的数值，由于符号相反，相互抵消了一部分数值，使得岩芯内部没有发生破坏.
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图 10 最小主应力曲线 Fig.10 Minimum principal stress curves |
表 2列举了我国一些工程中出现的岩芯饼化现象产生的岩体力学条件[6].此次数值模拟恰好验证了饼化现象发生条件的合理性, 并为实际工程提供了理论依据.
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表 2 我国一些地区岩芯饼化产生的介质及力学条件 Table 2 Media and mechanical conditions during formation of rock core discing in some areas of China |
1)径向应力在5~30 MPa时，没有发生饼化现象，但当径向应力达到35 MPa时，随着开挖的进行，岩芯开始出现饼化现象，径向应力是引起岩芯饼化的重要因素.
2)轴向应力只是使得岩芯表面产生拉破坏，而岩芯内部没有裂纹产生，轴向应力不是引起岩芯饼化现象的主要因素.
3)径向应力与轴向应力比低于1.25时，仅在岩芯表面发生了一定程度的破坏，而岩芯内部完好无损.
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