舒杨;吴继敏;岳翎;刘佳明;乐慧琳游戏春晚2013
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【摘 要】The cracks'propagation and failure mechanism including the shearing process of nonpenetrative fractured rock mass is totally different from uniaxial test,and triaxial test(biaxial test),the numerical study on the influence of mechanical behavior of single fractured rock mass under direct shear tests at dif-ferent normal stresses and different flaw angle was conducted using particle flow code(PFC).The mechan-ical behavior of the single fractured rock mass under direct shear was studied from three aspects:mechani-cal properties,failure mode and mesomechanical features.The main research results are listed as follows:(1)With the increase of normal stresses,the peak shear stress and the corresponding shear displacement increase,and the peak shear stress reaches the lowest at 60°.Cohesion decreases obviously of fractured rock mass compared with that of intact rock mass.(2)The shear stress-shear displacement curve changes from smooth to twist as the normal stress is from lower (<5 MPa)to higher (>15 MPa),and the main reason is that th
e speeds of microcrack generation are not in the same pace,and thus crack propagation has significant stage as the normal stress is higher.(3)As normal stress enhances,both the number of microc-racks and shear cracks increase,but the tension cracks are the main part.Most microcracks are formed af-ter reaching the peak shear stress.The single fractured rock mass is mainly composed of tensile failure caused by the coalescence and convergence of tensile cracks.(4)Shear failure of single fractured rock mass results from position transferring of the maximum contact force between particles and the coalescence of microc-racks,and the force of compression induced tensile cracking in the shear process is obvious.%为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟.研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15 MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数 目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显.
【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(017)005
【总页数】9页(P424-432)
【关键词】单裂隙岩体;直剪试验;力学行为
【作 者】舒杨;吴继敏;岳翎;刘佳明;乐慧琳
【作者单位】河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100
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【正文语种】中 文
【中图分类】TU458
裂隙岩体，尤其是非贯通的裂隙岩体，是水利、交通、采矿、石油开采等岩体工程中最常见、最重要的介质之一，对岩体工程的稳定性有着重大影响。裂隙岩体作为一种在力学性质方面有缺陷的损伤材料，在外荷载的作用下，裂纹的起裂、扩展、分叉、延伸及贯通破坏机制一直是国内外众多学者研究的重点。在裂隙岩体裂纹开展的理论研究方面，H.Horri等[1]运用复变函数推导了裂纹端部应力强度因子的积分方程，徐靖南等[2]对多裂隙岩体雁形破坏进行分析，提出了相应的强度准则，李术才等[3]应用断裂力学和损伤力学建立了复杂应力状态下断续节理岩体的损伤力学方程，孙宗颀[4]根据裂纹尖端最大无因次剪应力和拉应力强度因子来判断断裂是Ⅰ型还是Ⅱ型。物理模型试验方面，E.Hoek等[5]对单裂隙脆性玻璃试样在单、双轴压缩下进行试验研究，对裂纹的萌生、起裂、扩展、贯通破坏进行了合理的解释；关宝树等[6]在有侧向约束的单轴压缩下对裂隙倾角、组数进行了研究，将组合岩体的破坏形式划分为块体本身的破坏、块体破坏同时发生结构面的滑移和单纯沿结构面滑移3种模式；张波等[7-8]对含单裂隙、交叉多裂隙及充填裂隙的岩石类试件进行单轴压
缩试验，结果表明含2条裂隙试件强度高于单裂隙试件，充填裂隙试件比无充填试件的峰值强度明显提高，损伤程度小于无充填岩体。由于模型试验具有制样困难、费用高、耗时等缺点，数值模拟技术在裂隙岩体的研究中悄然兴起，梁正召等[9]运用RFPA2D程序对断续节理岩体在不同节理倾角、节理台阶角、层距、岩桥长度等组合情况下进行模拟研究。此外文献[10-12]也对不同组合形式下裂隙岩体的强度特性进行了模拟研究。海参圈
综上所述，当前对裂隙岩体的研究已经取得了丰硕的成果，但大多数研究针对的是裂隙岩体在单、三轴(双轴)试验条件下的力学行为，而对剪切应力作用下含非贯通裂隙岩体的力学行为的研究较少涉及，直剪试验过程中裂隙岩体内裂纹的扩展及破坏机理与单、三轴(双轴)试验并不完全相同。基于以上因素，本文运用颗粒流程序(PFC2D)对直剪试验条件下含单裂隙岩体试样在不同裂隙倾角、不同法向应力条件下的力学行为进行数值模拟研究。太阳方位角
1.1 颗粒细观参数
试样尺寸为150 mm×150 mm，最小颗粒半径Rmin=0.5 mm，最大、最小粒径比Rmax/Rmin=1.66，颗粒半径在Rmin～Rmax均匀分布。颗粒之间采用平行黏结模型，颗粒间细观参数采用文献[13]中标定的参数，如表1所示。
1.2 颗粒试样生成
单裂隙岩体直剪试验PFC2D数值模型如图1所示。
首先生成8道刚性墙体(1#～8#)作为试验边界条件，在墙体内部按照粒径范围Rmin～Rmax及目标孔隙率生成颗粒，共13 604个。其中5#墙作为直剪试验主动加载墙，3#、4#和5#墙组成剪切试验上部剪切盒，在剪切过程中保持恒定速度向右运动；1#、2#和6#墙组成剪切试验下部剪切盒，其中2#和6#墙固定不动，8#墙在剪切过程中以相应剪切速度向右移动，7#和8#墙保证颗粒在剪切过程中不会漏出。颗粒试样生成后通过编写Fish函数使试样内部应力均匀分布，随后消除悬浮颗粒，最后赋予颗粒上述平行黏结参数，以此便形成了直剪模拟完整试样。在形成的完整试样内通过删除相应位置的颗粒形成具有一定长度L，一定倾角β(定义为与x轴正向夹角)的单裂隙岩体试样。
1.3 试验方案及方法
在剪切过程中，采用伺服控制加载方式，以保持模型试样上下两侧1#和4#墙始终获得恒定法向应力。在3#和5#墙上施加恒定剪切速度，由于PFC2D中施加的剪切速度与实际的剪切
速度不同[14]，在PFC2D中只需满足施加的剪切速度能保持模型始终处于准静态平衡状态即可。经反复试算，最终确定本文的剪切加载速度为0.15 m/s，对应于数值试验中的3.53×10-8 s/步，试样在上述剪切速度下移动1 mm需要运算超过188 000步。模拟过程中以5#墙水平位移作为剪切位移，以4#墙竖向位移作为法向位移，以3#和5#墙受到的水平向不平衡力除以试样宽度为剪切应力。在剪切过程中记录剪切应力、剪切位移、法向位移及微裂纹产生时刻、类型与数目等信息。
本文研究不同倾角的单裂隙试样在不同法向应力作用下的剪切力学行为，模拟中设置裂隙长度L为4 cm，裂隙倾角β为0°，30°，60°，90°，120°，150°，法向应力p为1，5，15，30 MPa，共24种模拟试验工况。
2.1 裂隙对岩体力学性能的影响
图2为不同裂隙倾角、不同法向应力下裂隙岩体剪切应力-剪切位移曲线。从图2可以明显看出，随着法向应力的增加，裂隙岩体试样的峰值剪切应力随之增加，并且达到峰值剪切应力所需的剪切位移也增大，表明试样能承受较高剪切应力的时间也越长。
剪切试验开始后，剪切应力在较小的剪切位移下呈线性增长直至达到峰值，随着剪切位移的进一步增加，剪切应力逐渐降低。不同法向应力下剪切应力-剪切位移曲线具有不同形态，可大致分为2类：
(1)法向应力较低时(p=1，5 MPa)，剪切应力在达到峰值强度后持续降低直至达到残余强度，曲线出现明显的“尖锋”。这是因为法向应力较低时，在剪切应力达到峰值后裂纹的产生与扩展迅速，且在较小的剪切位移增量下，裂纹即汇聚并贯通整个试样，致使剪切应力连续降低。
(2)法向应力较高时(p=15，30 MPa)，剪切应力在达到峰值后先降低，随着剪切位移的继续增加，剪切应力稍微上升，而后下降，再上升直至达到残余强度，曲线呈明显的“台阶”状。这是因为法向应力较大时，剪切应力在达到峰值后，试样内裂纹产生较缓慢，裂纹并不像低应力时迅速产生并贯通试样，而是具有阶段性，致使剪切应力呈现最终的“台阶”形态。
将完整试样及不同工况下单裂隙岩体直剪试验的剪切应力峰值提取并汇总于图3。
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由图3可知，裂隙倾角对峰值剪切强度的影响较大。当法向应力相同时，裂隙岩体试样峰值强度明显小于完整试样峰值强度，最小值仅为完整试样的45%(p= 5 MPa，β = 60°)。当β<60°时，随着裂隙倾角的增大，试样峰值强度呈逐渐降低的趋势，在30°时降幅最大，在60°时峰值强度达到最低；当β>60°时，随着裂隙倾角的增大，试样峰值强度呈逐渐增大的趋势。图4为p=1 MPa，β= 0°，30°，60°，90°时，试样在剪切初始点时的小主应力云图。
由图4可知，β=60°时试样内小主应力值最大，并且最大值均分布于裂隙两端，裂隙两端处于明显受压状态。根据“压致拉”效应[15]及Griffith强度理论，在原裂隙周围会出现较高的拉应力，并且受压越厉害，裂隙周围的拉应力越大。因此，剪切开始后，β=60°裂隙周围的拉应力首先超过其抗拉强度，试样最先起裂，导致β=60°时试样峰值强度最低。
将完整试样及不同裂隙倾角试样的等效力学参数(黏聚力c及内摩擦角φ)汇总于表2中。由表2可知，裂隙对岩体的力学参数影响较大。(1)与完整试样力学参数相比，裂隙岩体的黏聚力下降明显，内摩擦角仅略微降低，最低c，φ值仅为完整试样的43%和95%(β= 60°)。(2)当β小于60°时，随着裂隙倾角增大，试样c，φ值逐渐降低，其中c值下降最为明显。在β为60°时，试样的c，φ值达到最低；β大于60°时，随裂隙倾角增大，试样c，φ值逐渐增大。裂隙试样c，φ值随裂隙倾角的变化趋势与剪应力峰值随裂隙倾角的变化趋势一致。
图5为倾角β= 60°试样在不同法向应力下的法向位移-剪切位移曲线。由图5可知，在剪切试验初期，法向位移量较小，法向应力p= 1，5，15，30 MPa时，初期最大法向位移量为-2.79×10-3，-1.69×10-2，-5.08×10-2，-1.02×10-1 mm，表明试样处于剪缩压密状态。而后随剪切位移的增长，试样的法向位移连续增长，表明试样处于明显的剪胀状态。法向应力越大，试样初期的剪缩压密量越大，剪缩效应越明显，后期的剪胀量越小，剪胀效应越微弱。因此，裂隙岩体试样在剪切过程中表现明显的剪缩-剪胀现象。
2.2 裂隙对岩体破坏模式的影响
图6为不同裂隙倾角，不同法向应力下单裂隙岩体试样最终破坏图。
由图6可知：
(1)当法向应力较低时，试样在剪切过程中的法向剪胀量较大，形成的宏观裂纹较多，原裂隙宽度明显变大，在上下剪切盒连接处出现明显拉裂纹，且各自向上下剪切盒内扩展并汇聚于裂隙尖端(图6(e))；当法向应力较高时，法向剪胀量变小，形成的宏观裂纹也相对较少，试样基本沿着裂隙两端与上下剪切盒连接处产生的贯通裂纹发生破坏。
