含双裂隙试样裂纹贯通细观机理研究.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()张晗,张晓平,张旗,等 含双裂隙试样裂纹贯通细观机理研究 工程地质学报,():,():含双裂隙试样裂纹贯通细观机理研究张晗张晓平张旗吴顺川(武汉大学土木建筑工程学院,岩土与结构工程安全湖北省重点实验室,武汉 ,中国)(水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 ,中国)(昆明理工大学国土资源工程学院,昆明 ,中国)摘要为了揭示不同裂纹贯通模式的细观演化机理,采用颗粒流程序()模拟含平行双裂隙石膏试样的单轴压缩试验。对双预制裂隙在不同相对位置时试样内出现的裂纹贯通模式进行分类,并对不同贯通模式形成过程中预制裂隙周围的力链和颗粒位移场进行分析。研究发现预制裂隙的相对位置会改
2、变压缩过程中其周围的接触力分布以及颗粒位移趋势,进而影响预制裂隙端部以及岩桥区域裂纹的扩展路径。当两预制裂隙几乎共面时,在岩桥区域存在接触力集中情况,岩桥区域首先出现微张拉裂纹,随着加载,这些微张拉裂纹逐渐演化为宏观剪切带并连接两个预制裂隙端点,形成型贯通。当岩桥倾角较大且两个预制裂隙不重叠时,岩桥区域的接触力集中程度增大,岩桥区域首先出现竖向的微张拉裂纹并演化为竖向的宏观裂纹连接两个预制裂隙端点,导致或 型贯通。当两个预制裂隙的端部部分重叠时,由于应力屏蔽效应,重叠端部的压缩接触力集中程度小于未重叠端部,导致翼裂纹成为主导贯通的裂纹。当两个预制裂隙在竖直方向完全重叠时,两预制裂隙同侧端点之间
3、的接触力集中导致出现由压致拉的张拉裂纹连接预制裂隙同侧端点,形成型贯通。出现、和型贯通试样的微裂纹数量曲线呈现阶梯状增长的趋势,表明这 类贯通中宏观裂纹的扩展是由应变能的突然释放导致的。关键词裂纹贯通;平行裂隙;颗粒流;单轴压缩中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:,)(,)第一作者简介:张晗(),男,硕士生,主要从事岩石力学方面的研究 :通讯作者简介:张晓平(),男,博士,教授,博士生导师,主要从事工程地质、岩石力学方面的教学和研究工作 :(,)(,)(,),(),;引言天然岩体中含有大量的节理和裂隙。在外荷载作用下,既有裂隙的扩展和相互之间的
4、贯通极易造成岩体破坏,诱发山体滑坡或工程坍塌事故。因此在地下岩体工程和边坡工程领域,研究结构面对岩体强度和破坏特征的影响具有重要的工程意义(白世伟等,;张家明,)。为了深入理解节理岩体的破坏过程,许多学者通过对含预制裂隙的岩石材料或类岩石材料进行压缩试验,研究裂纹扩展规律及其对岩石力学特性的影响。预制裂隙几何位置、张开 闭合、材料的非均质性以及围压对裂纹演化规律有很大影响(,;唐春安等,)。()对比含预制裂隙的石膏试样和大理岩试样中的裂纹形态,认为不同材料中出现的翼裂纹具有相似的起裂性质,但是材料的种类会影响翼裂纹起裂角度。()在含预制裂隙水泥砂浆试样的压缩试验中发现围压会影响翼裂纹的起裂位置
5、。随着围压的增大,翼裂纹的起裂位置从预制裂隙端部向预制裂隙中部转移。()对比含不同数量预制裂隙试样的试验结果,发现多裂隙试样中翼裂纹和次生裂纹的扩展规律与双裂隙试样中的相同。他们对预制裂隙周围可能出现的宏观裂纹进行系统分类,并根据次生裂纹扩展方向,将次生裂纹分为共面次生裂纹和斜次生裂纹。除了关于裂纹起裂和扩展规律的研究,一些学者对预制裂隙间的裂纹贯通模式进行了分类(,;,;,)。通常认为预制裂隙的相对位置是影响贯通模式的主要因素。物理实验中一般通过 扫描、声发射等技术捕捉岩体内部损伤(,;,;王林均等,)。而数值模拟方法可以通过计算应力和应变的演化,从细观角度揭示岩石破裂机理。基于离散元理论(
6、)的颗粒流程序()能够模拟岩石内部细观损伤的萌生、扩展、直至宏观破坏的过程(,;,;,;韩振华等,;黄达等,)。()、()利用 模拟了含单裂隙脆性材料中的裂纹扩展过程,他们观察到在预制裂隙上下表面存在拉力集中区,在预制裂隙两端点处存在压力集中区。张拉裂纹和剪切裂纹分别在拉力集中区和压力集中区出现。()利用 研究了平行双裂隙试样中裂纹扩展的细观过程,并对 ()在物理实验中观察到的 种贯通模式进行了补充和修改。对含双裂隙以及多裂隙试样裂纹扩展的研究表明多裂隙情况下预制裂隙间的应力分布较为复杂(,;,;,;,;,;,;,)。系统研究压缩条件 ()张晗等:含双裂隙试样裂纹贯通细观机理研究下预制裂隙相对
7、位置对预制裂隙周围应力场和颗粒位移场的演化的影响是有必要的。此外,大部分数值模拟研究仅关注裂纹形态,很少有学者将裂纹演化规律与裂纹贯通模式种类相结合进行分析。因此,本文基于 ()、()、(,)的一系列物理实验,利用离散元 程序模拟含双裂隙石膏试样的单轴压缩试验。通过分析预制裂隙相对位置对压缩过程中预制裂隙周围应力场位移场演化的影响以及预制裂隙相对位置与裂纹贯通模式的关系,从细观角度揭示不同贯通模式的形成机理。颗粒流模型 颗粒流原理离散元法是 ()在 世纪 年代初提出的一种数值模拟方法。基于离散元法的颗粒流程序()中的基本单元为圆盘()或球形()颗粒,单元之间的相互作用服从牛顿运动定律。基本单元
8、之间可以设置黏结。在 中存在两种基本的黏结模型,即“接触黏结模型()”和“平行黏结模型()”。平行黏结模型能够抵抗法向力、剪切力以及弯矩(图 ),这类似于岩石矿物颗粒之间胶结物的力学行为。所以平行黏结模型广泛应用于岩石材料的模拟。图 平行黏结模型示意图()()在平行黏结模型中,作用在平行黏结上的最大张拉应力和最大剪切应力由梁理论计算。当平行黏结中的最大张拉应力大于法向强度 或者最大剪切应力大于切向强度,平行黏结就会断裂并分别形成微张拉裂纹或微剪切裂纹。颗粒流模型几何参数和细观参数本研究中的模型为包含两条平行张开裂隙的长方形试样(图 )。数值模型尺寸与 ()物理实验中试样相同,试样长 ,宽 。试
9、样中包含大约 个颗粒。最小颗粒半径为 ,最大颗粒与最小颗粒的粒径比 为 。颗粒之间采用平行黏结模型。本研究中平行黏结模型的细观参数与笔者之前对该配比石膏材料模拟研究(,)中的细观参数相同(表 ),模型的宏观参数如表 。图 含平行双裂隙数值模型 表 数值模型细观参数 颗粒参数平行黏结参数弹性模量 弹性模量 刚度比 刚度比 摩擦系数 法向强度 颗粒粒径比 切向强度 最大颗粒半径 颗粒密度 表 数值模型宏观参数 宏观参数物理实验数值模型杨氏模量 泊松比 单轴压缩强度 工程地质学报 模型中,两条预制张开裂隙通过删除相应位置的颗粒生成。两条预制裂隙的长度 为 (为预制裂隙长度的一半)。预制裂隙的张开度设
10、置为 。为便于描述,本文将模型中上预制裂隙左侧端点称为 端,上预制裂隙右侧端点称为 端,下预制裂隙左侧端点称为 端,下预制裂隙右侧端点称为 端,如图 。图 平行双裂隙几何参数 ;试样中两条预制裂隙的几何位置由 个参数控制。裂隙倾角()为预制裂隙与水平方向的夹角。裂隙间距()代表两条相互平行的预制裂隙所在直线间的距离。连续度()代表在预制裂隙倾斜方向上两个 端之间连线的长度,当两个预制裂隙在其垂线方向没有重叠时,为负值(图 ),反之为正值(图 、图 )。的变化范围为 ,。的变化范围是 ,。的变化范围是 ,。试样的命名方式是 。例如当试样中的预制裂隙倾角为 ,为 ,为 ,则该试样命名为 。模拟过程
11、中,利用模型试样上下侧的“墙体”单元模拟加载板对试样以位移控制的方式进行加载,加载速率为 。每种预制裂隙几何位置的试样分别由 个随机数生成的模型进行模拟,模拟结束后对每种预制裂隙几何位置的 个试样中出现的贯通模式进行分类。双裂隙试样裂纹贯通模式当预制裂隙之间的宏观裂纹将其连接时,发生裂纹贯通。()总结石膏试样物理实验结果,根据宏观裂纹形态对 种贯通模式进行分类(型 型),这 种贯通模式在本研究的数值模拟中均有出现(图 )。本节将对其中 种贯通模式:型、型、型、型、型和型的裂纹扩展过程进行介绍,通过分析裂纹扩展过程和力链、颗粒位移场演化规律,深入研究这 种贯通类型的细观形成机理。裂纹扩展过程图
12、为试样 、和 中分别出现的型、型、型、型、型和 型贯通的裂纹演化过程。数值模型中微张拉裂纹和微剪切裂纹分别由白色和黄色线段表示。型贯通是因岩桥区域的宏观剪切带连接两个预制裂隙的 端而形成。当试样 加载至 (图 )时,两个预制裂隙的端点均已出现翼裂纹,岩桥区域也出现少量微张拉裂纹。当试样达到峰值强度 时(图 ),翼裂纹有所扩展,在岩桥区域出现更多的微张拉裂纹。当轴向应力下降至 时(图 ),岩桥区域的微张拉裂纹由一些微剪切裂纹连接在一起,形成一条宏观剪切带将两个预制裂隙 端连接,两条预制裂隙贯通。之后两条预制裂隙 端出现的次生裂纹扩展至试样边界,并与岩桥区域宏观剪切带共同形成一条剪切破坏面(图 )
13、。另外,预制裂隙端的翼裂纹在该阶段快速扩展,其扩展方向由垂直于预制裂隙转向平行于加载方向。而预制裂隙 端的翼裂纹并没有明显扩展。型贯通是由两个共面次生裂纹和一条岩桥区的宏观张拉裂纹(外平面张拉裂纹)连接两个预制裂隙 的 端 而 形 成。试 样 加 载 至 (图 )时,两个预制裂隙端点和岩桥区域出现少量微张拉裂纹。随着加载的进行,岩桥区域的微张拉裂纹演化为一条竖向的宏观张拉裂纹(图 ),预制裂隙端点处的翼裂纹也有所扩展。当加载至 (图 )时,岩桥区域的宏观张拉裂纹向两个预制裂隙 端点扩展,两预制裂隙端 也 出 现 了 次 生 裂 纹。当 轴 向 应 力 达 到 ()张晗等:含双裂隙试样裂纹贯通细
14、观机理研究图 物理实验(,)和数值模拟中的贯通模式(裂纹路径中光滑曲线表示张拉裂纹,折线表示剪切裂纹数值模型中微张拉裂纹和微剪切裂纹分别由白色和黄色线段表示)(,)(,)(图 )时,由于 端次生裂纹的扩展并连接岩桥区域的宏观张拉裂纹,裂隙发生贯通。型贯通的发生是因为一条从预制裂隙 端萌生的翼裂纹直接连接另一预制裂隙。从图 可以看出该类型贯通的裂纹扩展过程较简单。在试样 加载至 (图 )时,预制裂隙 端出现翼裂纹。随着加载这两条翼裂纹逐渐扩展并连接两条预制裂隙。型贯通的发生是因为两个预制裂隙同侧端点的次生裂纹被一条宏观张拉裂纹连接。当试样 即将加载至 (图 )时,预制裂隙端部的翼裂纹和次生裂纹快
15、速扩展。之后在上裂隙端和下裂隙 端之间的区域,一些微张拉裂纹快速演化为一条宏观张拉裂纹并向上下方向扩展。当轴向应力变为 (图 )时,该宏观裂纹上端点和上预制裂隙 端出现的次生裂纹连接,下端点扩展至下预制裂隙 端,导致裂纹贯通。型贯通的发生是因为上预制裂隙和下预制裂隙 端的翼裂纹分别与下裂隙和上裂隙 端的次生裂纹连接。当试样 加载至 (图 )时,上预制裂隙 端开始出现微张拉裂纹,之后预制裂隙的其他端点也陆续出现微张拉裂纹并演化为翼裂纹。当达到峰值应力 (图 )时,两预制裂隙 端出现少量微张拉裂纹和微剪切裂纹。试样达到峰值强度之后,这些微裂纹逐渐演化为次生裂纹。当轴向应力下降至 (图 )时,两条预
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