翼形裂纹扩展与贯通分析

二滩工程中发现在地下洞室开挖过程中产生大型裂缝甚至岩爆的现象，其力学机理是原岩在压缩应力中，当洞室开挖卸荷后，平行于洞室边墙繁衍的张性裂纹扩展贯通的结果。此现象也在多个文献中被提及。最简单的现象描述就是一个岩石试件中存在一条裂纹，当它受到单轴荷载作用时，容易出现这种纵向的张开型裂纹，如图4-1所示。

图4-1 单轴受压状态下裂纹扩展模式

也有一些专家如Myer等^[152]，他们指出实际围岩中存在着许多张性微小裂纹，在外荷载作用下微小裂纹之间相互作用（表现为颗粒尺度效应）。最终形成一定形状的肉眼可见的裂纹，有可能是纵向裂纹有可能是倾斜裂纹。图4-2描述了这种劈裂破坏的模式。

洞室开挖后近洞室边墙附近会出现纵向的应力增长集中现象，如图4-2a所示，这种受力状态是由洞室一侧卸荷导致近开挖面区域产生类似于单轴的受压状态而引起。(www.xing528.com)

图4-2 洞室周边劈裂破坏示意图

在荷载的进一步作用下，各个裂纹将产生扩展，当裂纹满足开裂条件K_I≥K_IC（K_I为应力强度因子，K_IC为材料常数）时，翼形裂纹将沿最大压应力方向以稳定的方式扩展。随着荷载的继续增大，加之自由边界的影响以及裂纹间的相互作用，翼形裂纹的扩展将不再稳定，此时裂纹扩展到它的临界长度2l。裂纹会突然增长，形成贯通的尺度较大的劈裂裂纹，如图4-2c所示。假定劈裂裂纹的长度是L，裂纹之间的厚度是h，且L≫h。裂纹可能还会在应力作用下继续产生压曲变形。如果强度足够高会出现较剧烈的岩爆现象如图4-2d所示。