文摘

常见的各种孔缺陷的数量和分布复杂岩体的力学行为和断裂模式包含它们。本研究发展七个石灰石样品的数值模型与不同数量和分布的圆孔缺陷使用二维颗粒流离散单元代码(土坡)调查石灰石对力学性能的影响,同时保持相同的缺陷区域。此外,分析这些因素的影响mesomechanical每个模型的特点,包括特征压力值(峰值应力、裂纹萌生和损伤应力),进化裂纹,应力和位移场。结果表明,峰值应力,裂纹萌生,破坏应力之间的单孔模型的多孔模型。随着安排倾角的增加,峰值应力,裂纹萌生和损伤应力模型与相同数量的多孔的缺陷表现出v型变化。特征应力值最大时孔垂直对齐。模型不同的裂纹发展道路、形状和数量,以及应力集中区域和失效模式,主要是由于孔的数量和分布。圆形孔排列约45°,和缺陷的数量越大,越有可能模型是失败。研究结果可以为研究提供支持和参考系统的岩体变形与破坏的孔缺陷。

1。介绍

在不同的地质过程,天然岩体通常包含各种孔、裂缝等缺陷(1,2]。例如,在石灰岩地区,小型岩溶洞穴与多样的分布模式是常见的(3,4]。这些缺陷往往数量众多且随机分布,使物理性质,岩体的变形和失败行为包含复杂和动态。这严重影响施工中岩体的稳定和安全5- - - - - -7]。因此,有必要探讨影响孔缺陷的数量和分布在石灰岩damage-deformation-failure行为。

研究人员已经发现了许多积极的结果在研究岩体包含漏洞。孔缺陷相关的变量因素是孔形状(8),孔的大小(9),孔数(10,11),结合其他缺陷类型(12,13]。曾庆红et al。(14),Gui et al。15夏,et al。16)应用离散元素数值模拟方法来分析一个单孔缺陷的影响与多个正则形式(圆形、正方形和梯形)mesomechanical属性和岩体的破坏模式。李等人。17]利用数字图像相关记录和讨论了变形和断裂的大理石含有圆形和椭圆孔。赵et al。18)提出了一种故障强度模型与单圆孔缺陷脆性材料通过改善Sammis-Ashby模型(19),使用一个数值模型来验证修改后的模型。类似地,林等。20.]分析了multiple-holed花岗岩的破坏模式受单轴加载和发达Sammis-Ashby模型。杨et al。21和田等。22)检查两个椭圆孔的不同分布模式基于实验室和土坡仿真测试;他们调查的影响孔间距和孔布置角度对损伤演化和砂岩的破坏机理。杜et al。23),赵et al。24马,et al。25)进行了单轴抗压强度(UCS)测试岩石样本两个洞和研究样品的强度和裂纹扩展特性在不同孔间距配置和不同的倾斜角度。

的比较分析不同数量的孔缺陷,通常大多数研究者列出一至三个洞。例如,他et al。26)相比,红色砂岩的能量进化和力学行为有1至3个圆孔下装卸。唐et al。27)进行了岩石材料单和三组实验孔和模拟分裂失败观察测试样品。刘等人。28土坡用来揭示损伤演化和区分复合岩体的强度特性,当软弱夹层包含一至三个方形孔和孔的填充和加固进行了研究。黄黄等人,和林29日,30.]用岩石样本进行了一系列室内试验,三,和多个圆孔和研究岩石样本的故障模式和区分强度特性与各种分布的圆洞。Gui et al。31日)开发单一循环和multicircular洞数值模型与交错分布各种圆孔的孔径大小和数量。他们系统地分析了孔缺陷的数量和分布对岩石的力学行为包含它们。黄等。32)花岗岩三noncollinear洞钻出样品,分析了岩石样本的裂缝发展和失效规律的具体安排和组合多个小圆洞。Jespersen et al。33]对石膏标本进行实验室测试和数值模拟与七个均匀分布圆孔和大孔距的影响讨论和安排样品的强度和失效模式。林等。20.和黄等。34UCS)执行测试花岗岩岩石样本,包括多个孔,和关注的影响孔裂纹萌生,传播和聚结。使用AE技术结合土坡数值模拟,揭示岩石样本的失效机理。

上述研究取得了丰硕成果有关岩体力学性能的含孔缺陷,介绍了科学和可靠的土坡方法等研究方法。现有研究孔缺陷的数量和分布主要集中于相同大小的洞。例如,在之前的研究中,单一的大小与multiple-hole缺陷岩石样本是一样的,或固定数量的孔的影响岩石的强度特性进行了研究。然而,增加孔的数量将不可避免地提高岩体的总缺陷面积,和岩石样本无疑将恶化。数量增加的孔,孔的整体分布的岩体将不可避免的改变,和孔的分布和数量是有机统一的研究因素。上面的文献表明,一些研究已经进行孔的数量和分布的影响岩石样本的断裂和区分故障特征相同的缺陷区域。此外,很少有研究区分mesomechanical特征的岩石,如破坏应力,基于孔的分布和数量。面积相同的情况下,孔缺陷,设计和分析不同数量和分布的孔可以更准确地代表了科学性的研究对岩体的力学性能的影响。孔缺陷面积相等的假设下,本文数值模拟了mesomechanical石灰石样品的性质与各种圆孔使用土坡代码的数量和分布,揭示了岩体的损伤和变形机制。

2。Mesoparameter校准和数值模型

2.1。确定Macro-Mesoparameters的石灰岩

土坡代码的并行债券模型应用于数值模拟岩石材料,因为它可以同时传输力和力矩,并拥有广泛的联系范围(35- - - - - -37]。使用并行债券模型会导致问题,如低compressive-tensile强度比和内摩擦角。然而,修改平行键失效标准降低粘结应力的时刻贡献更好的解决了上述问题。颗粒流离散单元数值模拟方法已成为非常可靠和科学在国际岩石力学(38,39]。为了确定石灰岩的宏观和细观的参数,首先必须确定其宏观物理力学参数通过实验室测试。进行了实验室测试在这项研究中根据ISRM规范(40]。处理测试,圆柱形岩石样本与标准尺寸的直径50毫米和100毫米高度被使用,和轴向应变率加载设置为0.001毫米/秒。在获得灰岩的基本物理力学参数,一个同构模型开发数值模拟测试和比较。土坡的介观参数代码反复调整直到实验和数值试验的结果是完全一致的41,42]。图1描述了石灰石岩石样本及其典型的单轴压缩数值模型和并行债券联系在土坡代码。

UCS测试进行的数值模型建立完整岩石样品使用相同的方法和加载条件的物理实验。图2说明了比较失败的结果形式和岩石的单轴应力-应变曲线模型在实验和数值试验。应力-应变曲线的峰值强度和变形模量的实验和数值是相同的样品,和失效模式的两个是相似的。这表明PFC的微观参数模型能准确地模拟宏观岩石样品的力学性能(43]。获得的微观参数如表所示1。

2.2。建立数值模型

孔的面积在建立模型保持不变,当孔的数量和位置改变说明更好的数量和分布的影响孔的机械特性岩石样本。圆孔缺陷形状代表岩体,所以本研究模型形状的洞是设置为圆形。一个圆孔的孔径直径15毫米(孔面积约1.77厘米²),所以两个和三个圆孔的孔径直径约10.61毫米和8.66毫米,分别。模型,2和3的安排和分布在水平圆洞,45°,和垂直方向被认为是平等的洞边界之间的距离的设置和圆孔和模型边界。因此,七个数值模型,通过NM-7指定NM-1,建立了岩石样本的圆孔缺陷。图3描述了数值模型。NM-1模型包含一个单孔直径15毫米的缺陷模型的中心。NM-2包括两个圆孔水平分布,两个洞之间的距离和模型的左和右边界=(约9.60毫米)。NM-3包含两个圆孔排列在45°在中间,两个圆孔之间的距离和左和右边界模型的大约16.50毫米。两个圆孔排列垂直中心的NM-4模型中,两个圆孔之间的距离和上、下边界模型的大约26.26毫米。类似于NM-2 NM-4, NM-5 NM-7包含三个圆孔直径8.66毫米,和在水平距离,45°,和垂直方向分别为6.01,11.18,和18.51毫米。

2.3。方法监测裂缝和模拟声发射

粒子的凝聚力在土坡代码取决于正常的键的强度(n_bond),切向粘结强度(s_bond)和颗粒之间的摩擦系数44- - - - - -46]。当传播应力超过岩石颗粒之间的粘结强度,颗粒之间的接触债券是摧毁在负载下,和微裂隙出现在数值模型47- - - - - -49]。模型中的微裂隙继续扩大,变形的能量将被释放,形成声波。在这项研究中,模拟基于AE事件的变化裂缝土坡中生成代码的数量,即。,AE生成期间接触的打破债券(50,51]。

在岩石样本的损伤演化,裂纹萌生和破坏应力边界值代表岩石的强度非常重要。本研究利用监测裂缝发展和演化的方法来表示损伤应力和裂纹开裂应力,和不同时期的两个定义的边界点的裂纹扩展过程。裂纹萌生压力指的是原始的致密岩石的裂缝,之后的裂缝开始萌芽、生长。同时,模型中裂纹只是开始,相对应的应力值第一裂纹的起始是监控(28,52]。破坏应力是指的收敛和连接初始和扩大微裂隙在前面的阶段,导致裂纹的不稳定传播。从这一次到峰值应力模型中,裂缝的数量显示加速度不断增加的趋势,和相应的AE事件也开始有连续和稳定的活动53]。先前的研究[54- - - - - -56]表明,应力和裂纹开裂应力确定的损害的方法监测微裂隙实验室测试的结果完全相同。虽然模拟AE事件不能实现真正的岩体的力学响应状态,反映变化有助于了解岩石的声发射现象。

3所示。仿真测试结果的分析

3.1。AE事件和特征应力分析每个模型的价值观

AE,应力-应变和裂缝为每个模型的整体总结在一起,和裂纹萌生的三个特征应力值压力,破坏应力和峰值应力的模型对应力-应变曲线。的stress-strain-acoustic emission-crack数量每个模型得到的曲线,如图4。损伤,裂纹萌生和峰值应力是用 , ,和 ,分别。表2裂纹萌生的值列表,伤害,和峰值strain-stress的模型。

曲线在图4显示完整的UCS模型125.05 MPa,虽然NM-1的单轴抗压强度NM-7约84.68,70.15,70.51,92.28,69.52,63.86,和94.35 MPa,分别。完整的模型的强度是最大的,和UCS NM-1 NM-7显著降低。鉴于孔缺陷的数量和分布,包含圆孔缺陷的UCS的模型是不同的,两个模型的UCS和圆孔的垂直排列。NM-2的强度和NM-3是等价的,而NM-5的强度大于NM-6。这表明当两圆孔排列在45°,相关的缺陷类型的影响,如裂缝和软结构的飞机,在岩体不同57,58]。的主要原因是,尽管这两个圆孔排列在45°倾角,圆孔之间的间距仍相对较大,单轴压缩下和渗透是不够的。当三个圆孔排列在45°,它们之间的距离减少,以及推广的失败的影响岩石样本的增加,导致其承载力降低;因此,NM-6模型具有最小的UCS的所有模型。一般来说,两眼模型的强度水平和45°分布的孔比相应的钢水模型。然而,当圆孔缺陷排列在垂直方向,模型的UCS三垂直的洞是最大的,和完整的模型减少了24.55%。的强度与两个洞是第二个最小的模型,和完整的UCS模型减少了26.21%。钢水模型与45°倾角最小的UCS,低于48.93%的完整模型。

在每个模型的AE特征直方图,AE事件不发生在初始加载压力是次要的。随着加载应力的增加,裂缝出现在岩石样本,声发射现象出现在每个模型。每个模型的裂纹开裂应力约为48.16,13.50,14.99,10.54,15.67,17.23,11.35,和20.27 MPa,分别。孔缺陷显著降低模型的裂纹开裂应力和导致AE事件发生。两眼和钢水模型与45°安排开始展览AE活动的0.0156%和0.0170%。内部裂纹的岩石样本逐渐发展和扩大连续加载,裂缝的数量保持稳定的增长速度。每个模型的AE数计数也继续增加缓慢。当加载到70% -80%的峰值应力,裂缝在每个模型的整体逐渐开始迅速增加,和AE的数量也数量突然增加。此时,模型被认为已经达到破坏状态,和相应的应力水平应力的损害。每个模型的破坏应力约为106.52,61.43,55.59,52.87,68.44,52.75,49.96,和73.30 MPa,分别。 The damage stress of the models with circular hole flaws is significantly reduced compared to the intact model, while the damage strain is also significantly increased. In terms of the damage changes and the crack initiation stress, the variations under various distributions of the two and three circular holes are similar, with the smallest changes occurring when the holes are arranged at 45°. Accordingly, the damage degree is greater under the same loading condition, and the values are the largest when the holes are distributed vertically, resulting in a lower damage degree. After the damage stress of each model is reached, the total number of cracks in each model increases rapidly, and the number of acoustic counts rises sharply at the peak stress, where it reaches the maximum. The acoustic emission is “active” around the peak stress until the postpeak failure stage, and the AE events are concentrated around the peak stress. The number of cracks in each model increases rapidly again, but the total number of AE counts decreases in the postpeak stage. Overall, the intact model has the highest number of AE counts and the most concentrated AE event distribution. Each model’s maximum number of AE counts is small, and the AE events are scattered around the peak stress. The distribution and number of the circular hole flaws also influence the distinguishing AE features. They affect the early and late occurrence of AE events at the crack initiation stress level and the number of acoustic emission shots at the peak stress. The changing trend is equivalent to each model’s peak stress, and the model’s AE events with the circular holes arranged vertically are active.

3.2。分析裂纹演化

根据裂缝的总数在图的描述4,更好地显示裂纹演化模型,每个模型的裂纹增长从的角度分析了裂纹萌生的压力,破坏应力、峰值应力,UCS压力模型失败后的60%。每个模型的区分裂纹演化特性如图所示5。拉伸裂缝描述的是红色,而剪切裂缝用黑色表示。

模型中的裂纹萌生与孔缺陷主要发生在顶部和底部的圆孔,和每个模型拉伸裂缝。圆孔的存在缺陷的主要因素是诱发早期裂纹的起始。当每个模型的破坏应力,裂缝在完整的模型数量的增加,裂纹分布更加分散,和少量的剪切裂缝出现。裂缝在NM-1 NM-7模型是围坐在圆孔,和裂缝分布模式的不同是由于不同数量和分布的影响的圆洞。例如NM-1模型、裂缝表现出一种“Ж”形分布集中在单一的圆孔,而在NM-2模型、裂缝主要分布上下两个圆孔和集中在垂直方向的中间部分的模型,导致更大的裂纹扩展在中间部分。少量的剪切破坏应力下的裂缝出现在每一个有缺陷的模型,他们集中之间的接近或圆洞。在峰值应力,裂缝继续发展和传播破坏应力的分布状态的模型。NM-1通过NM-7模型、裂缝上下点的圆孔扩散缓慢,在圆孔附近。这些裂缝传播更快的通过圆孔和穿透整个模型。然而,模型是处于极限平衡状态,裂缝渗透和破坏模型。 The number of shear cracks shows a particular increase, and the distribution range is still mainly gathered around or between the holes at the peak stress. At the postpeak failure stage, the extensive cracks in each model develop rapidly and form a concentrated area of crack penetration, affecting each model’s failure path.

3.3。变化的垂直的应力场

为了探讨区分每个模型的应力场演化特征,垂直应力场分析在不同压力水平。10%,50%,100%,60%的UCS postpeak破坏阶段选择来说明区分每个模型的应力场分布特性,如图6。

图6(一)表明之前的完整模型的应力集中峰值应力均匀分布在整个模型和峰值应力之前稍微分散。postpeak阶段中的应力集中区域显示约“锥形”分布,低压力的主要分布区域位于右下角的模型。在峰值应力之前,在NM-1 NM-7模型,不管圆孔的大小和分布,有抗压应力集中现象两边的洞。相比之下,圆孔上方和下方的区域是一个压力小的或拉应力区域。随着加载应力的增加,压应力集中区域的圆孔的两面显示一个下降的趋势,但应力集中的程度更大。压力或拉应力区域上方和下方的圆形孔显示了一个逐渐扩大的趋势。在峰值应力,压应力集中区域的NM-1模型是分布式的形式“蝴蝶”为中心的圆孔。最大浓度应力仍接近双方的圆孔,压力和最大浓度约为191.68 MPa。两者之间的最大压应力集中区域水平圆洞NM-2模型逐渐融合,压力和最大浓度约为187.67 MPa。NM-3模型中的最大应力集中区域位于两个45°之间安排圆形孔相连,而应力集中区域外的两个圆孔向外扩散模型。 In the NM-4 model, the large stress concentration region spreads away from the positions on both sides of the circular hole, focusing primarily on both sides of the model. The low-stress area above and below the hole also extends to an area between the top and bottom of the model and two holes. At peak stress, the stress concentration distribution of the NM-5 to NM-7 models is comparable to that of the NM-2 to NM-4 models. In the postpeak failure stage, the stress concentration areas in each model with hole flaws are significantly reduced, and the low-stress areas above and below the circular hole penetrate the entire model. It is worth noting that in the NM-4 and NM-7 models, the compressive stress has a wide range of stress concentration on both sides of the model, whether at the peak stress or after the postpeak stage. This demonstrates that the models have good bearing capacity, which is also the reason why both models have high uniaxial compressive strengths.

3.4。位移场的进化和失效模式

分析和比较位移场的变化和每个模型的特点是变形和破坏过程,UCS的50%,峰值应力,60%的UCS postpeak失败选择每个模型阶段。每个模型的位移场的变化如图所示7。

图7表明,在单轴压缩下,之前的完整模型的位移场失败是最小的水平方向的中间,和位移逐渐增加对模型的顶部和底部。顶部和底部的最大位移面积模型。的位移场分布沿水平中心线对称的模型。在故障期间,两端的位移模型的底部大,和模型的中小位移区域表现出一种“V”型分布。整体模型的失效模式是圆锥形的,这对应于裂纹浓度区域在故障期间的完整模型。当NM-1模型在50%的UCS,位移场也沿着模型的水平中心线对称分布,和地区小位移出现在圆孔的两侧。此外,小排量变化区域两侧对称分布在圆孔在一个“M”的形状。当负载达到峰值应力、位移的小位移区域模型中逐步增加和扩散,形成一个“X”形小排量。破坏阶段,该模型显示斜沿圆孔附近分裂失败。NM-2 NM-4模型,最大位移峰值应力之前主要是分布式模型的顶部和底部之间的最小位移集中横向连接的两个圆孔,即。,NM-3最小位移的分布模型是在45°之间的两个圆孔。 At the peak stress, the small-displacement area is still concentrated between the two circular holes, whereas the displacement outside the two circular holes increases rapidly. For example, the displacement outside the two circular holes in the NM-3 model changes into a concentrated area of the maximum displacement. At this time, the displacement field distribution in the middle of the model is chaotic, indicating that large critical failure cracks occur in some areas, affecting the displacement field distribution. At the postpeak failure stage, NM-2 shows apparent fracture failure on both sides of the model (outside of the two holes) and in the middle of the circular hole. The NM-3 model is split near the two circular holes in the model’s lower left and upper right areas. In the small-displacement area of the NM-4 model at the failure stage, the main circular holes below show a small “V” distribution with vertices, while the entire model reveals fracture failure at the outer and lower circular holes on both sides of the “V” distribution to the bottom of the model.

在峰值应力、位移场变化模式的NM-5 NM-7模型类似于相应的两眼模型。小位移的地区也主要分布在孔之间。然而,位移场分布的峰值应力比这更加无序,相应的两眼模型将三个圆孔的影响。NM-5模型在故障期间,发生断裂故障外的一面中间孔和圆孔两侧,和最大位移区域分布在圆形洞两边的模型。NM-6模型中,有一个断裂之间的联系三个圆孔,和分裂发生故障时上下圆洞。NM-7模型的断裂失效主要发生在双方的三个圆孔,展示一个相对破碎分裂失败。位移场演化的分析表明,圆孔的分布和数量发挥重要作用的进化模型的位移场和失效模式。

4所示。讨论

本研究使用石灰石土坡的代码来建立模型与不同的圆孔缺陷的数量和分布在七个操作条件。它被认为是安排和洞为主要变量的数量。如果孔数量的增加,孔的分布将会参与进来。更好地代表的影响孔的数量损失和区分岩石样本的故障特征,模型中的缺陷总面积保持一致,和孔之间的距离和模型边界是相同的;大多数研究者并不认为这些条件。然而,没有具体分析其他多孔模型具有不同倾向安排,如30°、60°、执行促进这项研究。

模型与各种圆孔缺陷的数量和分布研究和模型的相关研究23- - - - - -25,27,30.,31日,34)有相似的分布安排。虽然孔径大小的圆孔在以前的模型通常是相同的,派生的机械性能和岩石变形和破坏行为相同数量和排列的孔缺陷与获得的结果,表明本研究的可靠性。Zhang et al。59)也利用了土坡代码调查砂岩模型的力学参数的变化有两个圆孔排列在不同倾斜角度和分析模型的损伤变量使用AE特征。然而,建立模型只包含两个圆洞,大型和小型,没有分析裂缝的整个过程的演变规律和使用AE特征来确定模型的破坏压力。基于漏洞的数量和分布的差异,以往的研究很少涉及裂纹开裂应力和破坏应力的影响的有缺陷的岩石样本。这项研究的结果表明,在相同数量的圆孔,裂纹开裂应力和损伤模型的应力变化与孔的分布形状的“V”,提供有价值的参考分析岩体的伤害和失败。

此外,由于孔的形状在这项研究中仅仅是圆形的,它不能代表自然岩体的复杂性和不规则的缺陷形状和其他缺陷形状或类型的不均匀分布。然而,基于相同的缺陷区域的前提下,岩体的mesomechanical行为的变化,如不同数量造成的损伤演化和分布的圆孔缺陷,全面分析。在某种程度上,这项研究提供了洞察孔的数量和分布之间的相互作用及其对复杂岩体的力学响应的影响。

5。结论

(1)圆孔缺陷的数量和分布大大影响峰值应力,裂纹萌生压力,破坏压力和岩石样本的声发射特征。由于不同数量和分布的圆孔缺陷,峰值应力,裂纹萌生,单孔模型的破坏应力之间的多孔模型。模型与两个或三个圆孔,峰值应力,破坏应力,裂纹萌生压力表现出“V”字型变化随着孔布置的角度上升,和特征应力值是最高的,当孔缺陷垂直排列(2)孔缺陷的存在会导致裂纹萌生顶部和底部的圆孔模型,两模型与圆形孔排列在45°开始破解。每个模型的过程中达到峰值应力、裂缝发展模型的圆孔缺陷主要集中之间的接近或圆孔和圆孔之间从接近或向外延伸,直到整个模型本质上是合并。变化的路径、形状和数量的裂纹发展主要是由于循环孔的数量和分布的差异(3)在峰值应力之前,圆孔附近的应力集中区域形成的模型。圆孔缺陷的不同分布,应力释放区或拉应力区域仍集中在圆孔的上下顶点,而多孔的抗压应力集中区域安排在45°旋转圆孔的连接区域的中心。两个模型的应力集中区域,垂直圆孔还是分布式两岸的模型后失败(4)圆孔的数量和分布起着重要的作用的进化模型的位移场和失效模式。峰值应力前的小位移circular-holed模型集中附近和圆孔和随安排之间的角的圆洞。破坏阶段,整个模型的断裂失效路径的影响不同分布的圆洞,导致各种故障模式的岩石样本不同的数量和分布孔缺陷

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

国家重点支持的研究是经济研究和发展计划(批准号2019 yfc1509704),研究生教育改革和河南省(没有质量改进项目。YJS2022JD02也没有。YJS2022AL006),华北大学的博士生创新基金的水资源和电力、河南省科技项目(没有。222102320173),高等教育机构的重点科研项目河南省教育部(没有。21 a560002)。