孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟.pdf

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1、第43卷第13期人民长江Vo1．43．NO．132012年7月YangtzeRiverJuly，2012文章编号：1001—4179(2012)13—0073—04孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟程龙，刘相如’(1．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室，江苏徐州221008；2．中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116)摘要：采用岩石破裂过程分析系统，研究了围压、孔压对含不同单裂隙分布脆性岩石的破坏影响规律，分析了岩样的裂纹扩展特征。结果表明：断续单裂隙的岩石力学性能显著低于完整岩样，但降低程度与裂隙参数密

2、切相关，随着裂隙长度增加，岩石力学参数均呈降低趋势，而随着裂隙倾角的增加，峰值强度以及峰值应变均呈先减小后增加的趋势，且这种规律不受围压与孔压的影响；围压对岩石峰值强度有强化作用，但同等围压时，孔压对岩石峰值强度有弱化作用；裂隙长度越小或裂隙倾角越大的岩样，其裂纹扩展特征越不明显，且扩展过程受围压与孔压影响显著。研究结论对于认识具有断续节理裂隙岩体的变形破坏机理具有参考价值。关键词：脆性岩石；围压；孔压；单裂隙；峰值强度；裂纹扩展中图法分类号：TU45文献标志码：A岩体是在复杂地质构造作用下，经过漫长的地质裂隙长度、裂隙倾角对断续单裂隙脆

3、性岩石强度和变年代，由于风化、腐蚀、构造应力等作用形成的复杂地形破坏特性的影响规律，为今后的理论研究和工程实质体。岩体内部存在大量的裂隙、裂纹、节理等缺陷，践提供参考。这些节理裂隙成为水在岩体中运动的通道¨I2。岩体1模拟概况和参数取值工程均是处在三向应力状态下，因此，研究围压、孔压作用下断续单裂隙脆性岩石的变形破坏特性具有非常岩石破裂过程分析系统采用有限元法进行应力分重要的工程实践意义。杨圣奇等对断续预制裂隙和孑L析，能够较好模拟岩石介质逐渐破坏过程¨“。洞大理岩进行了试验和数值研究。张伟等讨论了文中模拟试验所采用的模型尺寸为L×H=1

4、00裂隙倾角对裂隙岩体力学特性的影响。冯增朝等mill×50mm，网格划分为200×100个单元，试验中裂探讨了岩体裂隙尺度对裂隙岩体变形与破坏的控制作隙宽取1mm。在岩石破裂过程分析系统中，m值的大用。陈卫忠等人详细研究了闭合裂纹在单轴、双轴小反映试样的均匀性，m值越大，岩石越均质，本文m荷载作用下的裂纹扩展和贯通规律"。王国艳等进值取8。试样的破坏符合莫尔一库伦破坏准则，选用行了单裂隙岩石损伤断裂过程的试验研究。石北平面应变模型，试验模型如图1所示。加载方式为位啸等研究了裂隙试样在动静组合荷载下的力学特移加载，加载速率为0．002mm

5、／步。为了达到模拟孔性。此前的研究在裂隙岩体的变形破坏特性、裂纹压作用的效果，试验开始阶段在试样的下表面施加扩展规律等方面取得了丰硕的成果，但是多是基于常2MPa的孔隙水压力，具体模型参数如表1所示。下规压缩试验，没有涉及到孔隙水压力的作用。文的描述中，表示轴向应力，表示轴向应变，，鉴于此，本文采用岩石破裂过程分析系统，研究了表示围压，P表示孑L压。围压、孔压作用下含不同单裂隙分布的脆性岩石强度试验方案设计如下。和变形破坏特性。具体分析了围压、孔压作用下，不同(1)裂隙长度对岩石强度和变形破坏特性的影响收稿日期：2011一l2—28基金项

6、目：国家自然科学基金项目(51179189)作者简介：程龙，男，硕士研究生，主要从事岩土力学与地下工程方面的研究。E—mail：ehengl2006@163．corn74人民长江2012年均随裂隙长度的增加呈减小趋势。另外，围压作用下峰值强度大于孔压作用下峰值强度，且二者均大于单轴压缩时岩石试样的峰值强度。试验结果表明，相同围压下孔压对岩石试样的峰值强度有弱化作用，且围压、孔压不改变峰值强度随裂隙长度增加而减小的规律。图1数值模型试验。取试样s1～s5进行单轴压缩试验。取试样S11一S15进行围压作用下压缩试验，试验中施加5＼b∞∞∞∞∞

7、蚰趵0MPa围压。取试样s6～SIO进行孔压作用下压缩试验，试验中施加5MPa围压，水压差2MPa。上述试验中试样裂隙倾角Ot均为45。，各试验中裂隙长度2n分图2孔压作用下不同裂隙长度岩样应力一应变曲线别为0，5，10，15，20mm。(2)裂隙倾角对岩石强度和变形破坏特性的影响试验。取试样S16～$20进行单轴压缩试验。取试样S16～$20进行围压作用下压缩试验，试验中施加5MPa围压。取试样$21～$25进行孔压作用下压缩试验，试验中施加5MPa围压，水压差2MPa。上述试验中试样裂隙长度2n均为15mm，各试验中试样裂隙倾角分别为

8、15。，30。，45。，6O。，75。。2强度和变形特性分析2．1裂隙长度对强度和变形特性的影响圈3峰值强度和裂隙长度的关系图2给出了孔压作用下含不同裂隙长度的岩样应上述分析表明，断续单裂隙岩