文摘
先前存在的裂缝网络(PFN)在自然岩体和无处不在的一个关键因素影响岩体的力学性能。本研究采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法调查PFN-containing岩体的力学行为。基于滑动裂纹模型和断裂力学理论,裂缝封闭和开放的启动机制由压缩和剪切应力理论分析。岩体模型与不同的倾斜角度(βPFN)是建立在三维快速拉格朗日分析连续。完整的岩体应力-应变曲线和二次裂纹扩展。结果表明,增加β降低了岩体的强度和弹性模量。当β小于45°,这种影响更为突出。基于PFN-containing岩体的承载能力,应力-应变曲线可以分为两种类型:I型曲线在postpeak multipeak,应变软化阶段β是15°、30°、45°60°、90°;II型曲线是单峰和脆性破坏时β是60°、75°。二次裂纹扩展可以分为四个主要类型:I型共面裂纹,II型翼裂纹PFN左右,近场翼裂纹类型III, IV型宏观剪切裂纹。
1。介绍
由于历史上活跃的构造运动,许多裂缝和裂缝生成在工程岩体,在本质上和骨折通常发生在组织(图1)。它也被称为先前存在的裂缝网络(PFN)或节理组。爆破和岩石开挖工程可能引起二次裂纹萌生、传播和聚结。二次裂纹由PFN降低岩体的力学性能和削弱了共面骨折的相对滑动。它也会影响二次裂纹合并和岩体macrofailure。岩体的承载能力是支持和矿业的基础设计,和意想不到的裂缝发展是一个潜在的威胁,岩石工程的安全。因此,研究PFN发展和获得的机械繁华PFN-containing岩体的先决条件是岩体的稳定性分析和支持设计(1,2]。
新出现的裂缝岩体可以称为次生裂纹,这是由一个主断裂在压实。二次裂纹扩展被列为最基本问题之一,在岩石力学实验和理论研究。格里菲斯研究先前存在的二维裂纹的增长在1924年(3]。基于能量释放率和应力集中裂纹扩展过程中,欧文介绍了可调均匀应力和应力强度因子定量研究裂纹开裂条件(4]。然后,许多学者研究了关于二次裂纹分类,裂隙岩体的宏观力学行为,和裂纹扩展的力学模型5- - - - - -7]。位置和与主裂纹扩展模式和特殊关系常常被用于分类的二次裂纹(8,9]。
PFN的倾角的变化导致岩体的非均质性的增加和影响内部应力场的分布10]。PFN的几何,包括数量、大小、开放、裂缝的倾角,岩桥的宽度,是关键的因素,影响PFN-containing岩体的力学性能和二次裂纹扩展11,12]。准备样品在实验室自然PFN是困难的,所以如磐石般坚韧的材料,如石膏、砂浆,树脂,用于使标本代表岩石,PFN可以引入到标本通过削减或预制构件(13]。数码摄影和图像处理技术选择观察表面裂纹的细节。声发射源位置、计算机断层扫描和x射线扫描,和核磁共振也调查了3 d扩张,成核和渗透,能量释放,特殊分布的二次裂纹发展(14- - - - - -17]。然而,如磐石般坚韧的材料属性是显著影响比和养护年龄(18,19]。在当前的研究中,大多是共线或垂直noncollinear裂纹安排。的发展noncollinear PFN和PFN-containing岩体的macromechanical行为必须进一步研究。数值模拟可以分析二次裂纹的动态发展及其与宏观应力-应变关系的演变与复杂岩体PFN [20.- - - - - -22]。在我们的研究中,基于滑动裂纹模型进行了理论分析,数值模拟采用调查PFN-containing岩体的力学性能和二次裂纹发展。
2。二次裂纹萌生
2.1。滑动裂纹模型
PFN的天然岩体可以分为开放和封闭骨折。骨折的类型产生的拉应力,即垂直于裂缝表面,称为开放的裂纹。关闭骨折,骨折之间的差距都是或断裂的表面是关闭。二级裂缝可分为三种类型,翅膀,共面,out-of-plan裂缝(图2)。翼裂纹产生的张力,它沿着最大主应力的方向发展,而共面和out-of-plan裂缝是由剪切(23]。
Basista和总24)提出了滑动裂纹模型,被广泛用来研究二次裂纹的发展机制脆弱或混凝土材料在压缩(25,26]。根据滑动裂纹模型(图3有效的剪切应力),组件在主断裂面是正常的压力和剪切应力 。 可以由以下公式计算: 在哪里摩擦系数。
(一)闭合骨折
(b)开放骨折
2.2。关闭骨折
通过应用均匀分布压力和裂隙岩体,其中包含一个封闭的主要断裂,和在一个封闭的断裂表面倾角β可以获得(图3(一个))。
在单轴压缩,= 0,方程(2)可以简化如下:
PFN与不同的倾角的驱动力是封闭的断裂表面之间的相对滑动和二次裂纹萌生的骨折。滑动裂纹模型理论表明,裂隙岩体的承载能力时是最低的在裂纹表面上是最大的。一阶导数的方程(5)可以获得。
具体来说,当一个封闭的断裂表面是关闭,没有摩擦( ),β= 45°,而β大于45°时 0。根据方程(6),关闭PFN的岩体裂缝的倾角对应的最小强度不应低于45°。此外,β增加封闭断裂表面的摩擦系数增加。
2.3。开放骨折
开放的主要断裂可以相当于一个椭圆裂缝在2 d平面(14]。远场应力和生成 , ,和在裂纹表面。和在横向压缩应力和正常方向的主要断裂,然后呢剪切应力。坐标系统见图3 (b)可以建立以断裂的中心为坐标原点,平行和垂直两个方向的垂直和水平轴的断裂。基于弹性力学理论, , ,和可以由以下公式计算:
在开放与倾角裂缝β形成的应力场,远场应力可以被视为三分量应力场的叠加在方程(7),它还可以转变为无侧限压缩条件下以下方程。
2.4。应力场的影响
周向应力的解析解在无限板骨折无侧限压缩显示如下: 在哪里 和是顺时针转的夹角的正方向 - - - - - -轴的起始位置。当= 0°,即垂直于裂缝表面,可以由以下公式计算:
的极端值可以获得通过的一阶导数方程(12)对和替换的值范围如下:
根据方程(13),最大拉应力出现在水平分布椭圆的短轴断裂。当β是90°,平行于长轴的断裂。可以得出基于方程(11)如下:
因此,极端值在下面了,生成一个最大拉应力垂直的附近的顶点,其值等于横向应力。
由于岩石的抗拉强度低,断裂表面剪切应力不能导致II型故障。相反,拉伸翼裂纹顶端形成的第一个主要的断裂,从而导致未来宏观失败(27]。PFN是一个开放的裂纹时,正常和侧压应力形成高压力集中在PFN的边界。与小开放骨折β,正常的和横向压缩应力仍然可以形成拉伸裂缝即使剪切应力不能驱动翼裂纹萌生。这是控制因素减少裂隙岩体的强度。当β增加,剪切应力可以推动翼裂纹萌生,裂隙岩体的失败可以定性解释为滑动裂纹模型。此外,和影响微裂隙的起始角和传播路径,分别。
3所示。数值模拟
3.1。模型建立
在三维快速拉格朗日分析连续(露天)是用于分析PFN倾向的影响岩体的力学承载行为和二次裂纹发展在这个研究。PFN倾向是指裂缝与水平方向的夹角。模型的大小是 。PFN引入和啮合在ANSYS完成。导出的点头的信息可以导入到有限元分析软件FLAC3D软件重建模型。主要骨折2毫米的开口宽度在模型中建立了。倾斜的角度βPFN的每个模型设置为0°、15°、30°、45°,60°、75°、90°(图4(一))。当 °,模型如图4 (b)。采用无侧限抗压强度的模拟。位移控制加载的速度 mm /步骤应用于边界模型的顶部,和位移约束强加给其他边界。接口添加到断裂表面避免区域嵌入(图4 (c))。PFN的近场的网格大小约0.5毫米,比其他地方更好的抑制计算时间,成为进一步详细的二次裂纹扩展。
(一)PFN与岩体模型的边界条件
(b)数值模型(°)
(c)接口表面的骨折
3.2。参数标定
在数值模拟计算结果的参数值是至关重要的。因此,必须首先执行参数校准(28]。在这项研究中,参数校准目标是泥质砂岩从重庆,选择中国。通过单轴压缩试验所获得的应力-应变曲线(图5)。UCS23.61 MPa,相应的应变峰值应力的1.06%,弹性模量是4.5绩点。在postpeak阶段曲线表明,这种泥质砂岩是我岩石类型。在露天,应变软化模型是用来描述非线性力学行为可耻的凝聚力和基于塑性剪切应变的摩擦角。通过迭代的试错过程,数值模型与岩体的力学性能是获得一致(图5)。并给出了仿真中使用的参数值表1。校准显示数值应力-应变曲线和剪切破坏是接近实验结果,在postpeak阶段和进步失败是相似的。因此,参数值可用于以下模拟。
4所示。测试结果和分析
4.1。应力-应变特性
完整的应力-应变曲线的形态也随着PFN倾向增加(图的变化6)。形态是指曲线的斜率在prepeak阶段,应力峰值的数量,和减压postpeak阶段。当β15°、45°60°、90°,压力下降缓慢postpeak阶段。具体地说,当 °,屈服后的应变硬化行为更加明显。因此,该模型是韧性在这些情况下。然而,当β60°、75°,模型更加脆弱。postpeak阶段的应力降率显著增加。这种破坏接近II型岩石破裂。因此,完整的应力-应变曲线可以分为两种类型:第一类曲线有多个压力峰值和显示postpeak阶段的应变软化特征 °30°、45°60°、90°。I型曲线是单峰postpeak阶段和脆性破坏 °或75°。
4.2。强度和弹性模量
岩体强度和变形之前破坏是岩石破坏的重要参数和支持性的岩石工程设计。PFN倾向对岩体的影响强度和弹性模量图所示7(一)。的和β大约是呈正相关。然而,之间的关系和β是非线性的;当 °,是最小值,2.49 MPa;当 °15°,是关于4.3 MPa;当β大于30°,成为大β增加。当 °,是22.65 MPa,是1.34%,接近完整岩石。因此,当PFN的长轴平行于加载方向( °),减少强度很小,当β很小,PFN-containing岩体稳定性的影响是显著的。当β是30°,造成最大的影响岩体的力学性能。
(一) 和
(b)弹性模量
β少影响岩体的弹性模量比UCS(图7 (b))。一般来说,宏观的弹性模量岩体的减少时β很小。当β是0°或15°,E是1.51的绩点;当β是30°,E是最小的,0.84的绩点。E增加β增加。当β是90°,E达到最大值3.79的绩点,接近完整岩石。
4.3。二次裂纹扩展
二次裂纹的传播和渗透是最重要的因素影响岩体的承载能力。二次裂纹发展PFN-containing岩体及其与时的应力-应变曲线的关系 °图所示8。PFN裂纹萌生开始压实的早期阶段,主要由共面裂纹(图8(a))。随着负载的增加,共面裂纹穿透(图(由邻近骨折)8(b))和翼裂纹沿着加载方向(图形式8(c))。当地的裂纹扩展会导致岩石的裂缝不足桥,但岩体失败并不发生。在上述阶段,二次裂纹主要是拉伸裂纹。岩体失去承载力当主断裂和二次裂纹形成的主要断裂表面。主断裂不完全切断岩桥主要沿着剪切方向。模型不是完全失去承载力。压力上升postpeak阶段从图可以看出8(f)。此外,由于摩擦滑动破碎的岩石断裂表面的岩石postpeak中仍有残余强度阶段(图8(g))。
内部的塑性区发展PFN-containing岩体在不同菌株如图9。岩体失败PFN不同倾斜角度有一些共同特征。根据压实,内部应力的不均匀分布导致优惠结束,中间的裂缝骨折。二次裂纹增长相对早期的相互独立的压缩在一个有限的时间和空间在骨折(图9(一),9(问)9(u))。新生成的塑性区主要是紧张失败或tension-shear混合在这个阶段。岩石块运动是由摩擦滑移沿断裂面后可见损伤(数据模型9(f) -9(h)。因此,塑性区逐渐转换成的拉伸断裂的剪切破坏postpeak阶段(数字9(c),9(g),9(k),9(o),9(年代),9(v))。
根据PFN的位置和增长,次生裂缝可分为以下四种类型:第一类是共面裂纹出现的岩桥沿长轴方向的主要断裂。II型翼裂纹的边界,这是弧形,PFN周围形成。它的发展方向是类似于加载方向。类型III是近场翼裂纹,大约是在平面上PFN的方向。III型裂纹的发展方向是PFN的近垂直于法线方向。IV型的宏观剪切裂纹是由二次剪切裂缝的融合在一定方向。
4.4。β效果
二次裂纹发展PFN-containing岩体有一些特殊性β的变化。(1)当β是0°,第一个受损区域位于中间的裂缝,主要是拉伸断裂。垂直拉伸裂纹的水平开放骨折发展优先(图9(一)),它与方程(的结果是一致的13)。I型裂纹扩展和连接在垂直方向上下骨折的早期阶段增加负载,然后II型裂纹出现(数字9(b)和9(c))。IV型单一剪切裂缝,斜向加载方向,形成并导致岩体失败(2)当β在15°、45°之间,第三类型裂纹优先启动和连接相邻的骨折(数据吗9(e),9(我),9(m)。随后,第一种和第二种开始显示为压实上涨。IV型裂纹主要是由类型III裂纹(数据的进一步增长10(h),10(左)10(p))。第一种和第二种时几乎同时发展 °和30°(数字9(f)和9(j))。II型裂纹形成和发展早于我骨折类型β是45°(数据9(m)和9(n))(3)当β是60°或75°,二次裂纹萌生开始吗 %,低于在其他情况下,裂纹位置不规则(数字10(q)和10(u))。失败不再是主导的宏观模型类型III裂缝但转换成多个(剪切破坏数据10(年代)10(t)10(w),10(x))。PFN发展当β是60°或75°较小影响岩体的破坏特征和力学性能比什么时候β15°、45°之间。UCS和岩体的弹性模量也接近完整的岩石(4)当β是90°,塑性区不明显的逐步发展,但是IV型裂纹迅速增长在0.5%的压力。岩体失败是由多个剪和拉伸失败(图10)。占主导地位的裂纹和PFN之间存在小的互连。PFN也不影响模型的力学性能的恶化(5)PFN倾角最大影响岩体的力学行为β是30°。根据裂纹萌生机制开放骨折的有效裂缝表面的剪切力是0时β是90°。没有观察到驱动力的断裂产生微次生裂纹,和正常压力是闭合裂纹表面垂直。它还小有助于骨折的尖端的应力集中。时都是一样的是0°、90°。然而,新的tensile-shear压力形成的提示打开裂缝降低了裂纹扩展门槛,导致恶化岩体的宏观力学性能(6)根据图6为I型曲线,单一的原因失败后压力峰值和压力的迅速减少,PFN传播岩体形成主要断裂,断裂传播之前在其他区域。失败后的核心轴承岩体的一部分,压力下降迅速发生。随后,非核心业务承载区域的岩体继续加载和损坏,和岩石破碎块滑动沿着裂缝表面,使全应力-应变曲线II型曲线
5。结论
岩体的力学行为与不同PFN倾向是本研究调查。通过无侧限抗压强度的数值模拟,承载力、破坏模式和二次裂纹扩展分析。主要结论如下:(1)的倾角PFN具有显著的非线性影响岩体的力学行为。强度和弹性模量降低,当倾角在0°、45°之间。PFN达到最大时的影响β是30°,岩体的力学性能接近完整岩石的什么时候β是90°(2)PFN-containing岩体的应力-应变曲线可以分为两种类型:第一类曲线是postpeak multipeak和应变软化阶段β是15°、30°、45°60°、90°;II型曲线是单峰和脆性破坏时β是60°、75°
二次裂纹扩展可以分为四个主要类型:I型共面裂纹,II型翼裂纹PFN左右,近场翼裂纹类型III, IV型宏观剪切裂纹。(3)由于不断增加的负荷,先断裂裂纹的尖端,主要的伤害是紧张和剪切混合。二次裂纹扩展可分为四种类型:I型共面裂纹,II型翼裂纹在PFN,近场翼裂纹类型III, IV型宏观剪切裂纹。IV型裂纹主要是由类型III裂纹时β在0°和45°之间。岩体失败涉及多个剪,PFN和二次裂纹扩展的影响岩体力学性能的退化时减弱β大于60°
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的利益冲突
作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系,可能会影响工作。
资金
这项研究是由重庆市自然科学基金资助,中国,格兰特cstc2021jcyj-msxmX0959数量,巴渝学者计划,格兰特YS2021098数量,和河北省自然科学基金,格兰特数字E2020402042和E2020402041。