類(lèi)巖石試件裂隙厚度和角度對(duì)其力學(xué)特性的影響研究

劉 陽(yáng) 雍 睿,2 沈 飛 田錢(qián)錢(qián)

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000；2.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000)

近年來(lái)，伴隨著社會(huì)生產(chǎn)水平的飛速發(fā)展，巖土與地下工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著越來(lái)越重要的作用.如何準(zhǔn)確判斷巖體是否穩(wěn)定，是巖土與地下工程設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一，而造成巖體失穩(wěn)的主要原因是巖體內(nèi)部的各種缺陷[1]，如裂隙、微裂紋和孔洞等，其中裂隙尤為常見(jiàn).正因如此，研究含裂隙巖體的力學(xué)特性和破裂特征對(duì)于實(shí)際工程建設(shè)有十分重要的意義.

裂隙巖體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，受到外力作用后通常都會(huì)沿著原先存在的不連續(xù)面(如裂隙或斷層)發(fā)生破壞.對(duì)比完整巖塊，裂隙巖體的力學(xué)特性存在很大的差異，受到內(nèi)因(如巖體結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力釋放等)與外因(如地基開(kāi)挖、爆破等施工因素)共同影響[2-4].巖體自身的裂隙角度、厚度和尺寸等因素都會(huì)對(duì)巖體力學(xué)特性產(chǎn)生重要的影響.目前有關(guān)裂隙巖體的力學(xué)特性和破裂機(jī)理的研究主要是通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行.但是，室內(nèi)試驗(yàn)具有不可重復(fù)性，因此，有關(guān)裂隙巖體的數(shù)值模擬分析逐漸成為研究的熱點(diǎn).

在數(shù)值模擬方法中，離散元法是有效解決非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值方法.采用顆粒流離散元法對(duì)土工試驗(yàn)進(jìn)行模擬研究，不僅可以以宏觀角度模擬巖體材料的力學(xué)行為，還可以從微觀角度研究顆粒的接觸狀態(tài).張敏思等[5]以顆粒流離散元理論為基礎(chǔ)構(gòu)造含孔洞巖樣的Burgers蠕變模型，模擬了巖樣的宏觀破裂變形過(guò)程.楊圣奇等[6]基于顆粒流離散元理論對(duì)含雙孔洞的巖樣進(jìn)行單軸壓縮的數(shù)值模擬，研究裂隙角度對(duì)其力學(xué)特性的影響.Potyondy等[7]構(gòu)建了新型的黏結(jié)模型，運(yùn)用顆粒流程序研究了改變黏結(jié)模型對(duì)巖體力學(xué)特性的影響.黃彥華等[8]采用帶孔槽的圓盤(pán)形試樣，運(yùn)用顆粒流軟件模擬巴西圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)，研究裂隙角度和半徑比對(duì)其力學(xué)特性和破裂發(fā)展的影響.劉寧等[9]參考單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)顆粒流軟件模擬了脆性巖體的破壞過(guò)程.張龍等[10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得巖石基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)獲得細(xì)觀參數(shù)，運(yùn)用PFC3D軟件模擬雞尾山高速公路發(fā)生的巖質(zhì)滑坡，最后對(duì)滑坡的最大位移、巖體破裂及堆積形式等方面進(jìn)行了深入討論.徐金明等[11]參考前人石灰?guī)r試驗(yàn)的所得數(shù)據(jù)，考慮到宏觀力學(xué)和顆粒細(xì)觀參數(shù)的聯(lián)系，運(yùn)用PFC2D軟件構(gòu)建了石灰?guī)r的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行單軸壓縮模擬，研究試樣的力學(xué)特性.尹大偉等[12]通過(guò)編寫(xiě)PFC軟件中內(nèi)置的FISH函數(shù)來(lái)檢測(cè)含裂隙巖樣的起裂應(yīng)力及損傷應(yīng)力，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)主破裂面是沿裂隙或節(jié)理擴(kuò)展的時(shí)候，試樣的起裂應(yīng)力及損傷應(yīng)力達(dá)到最小值.

本文采用類(lèi)巖石材料制作了不同裂隙角度和裂隙厚度的試件，并開(kāi)展了單裂隙試件的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)研究.此外，本文還運(yùn)用顆粒流軟件PFC3D對(duì)不同裂隙角度和裂隙厚度的裂隙巖體進(jìn)行單軸壓縮模擬研究.通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了裂隙角度、裂隙厚度對(duì)試件宏觀力學(xué)特性和破壞特征的影響規(guī)律.

1 室內(nèi)單軸試驗(yàn)

1.1 試件制備

大量研究表明，類(lèi)巖石材料的力學(xué)特性與巖石材料具有高度相似性.考慮到天然裂隙巖體試樣難以獲取，且其內(nèi)部裂隙分布存在很大的不確定性，難以滿(mǎn)足試驗(yàn)精確控制的要求.因此，本文采用類(lèi)巖石材料制作試件[13-15].類(lèi)巖石材料的配合比設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)，本次試驗(yàn)選用的相似材料質(zhì)量配合比為：高強(qiáng)石膏∶水∶中砂∶硅粉∶高效減水劑=1∶0.34∶1.4∶0.1∶0.011.

為了獲得不同裂隙角度和裂隙厚度的類(lèi)巖石試件，需制作內(nèi)部尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的試樣模具和裂隙固定裝備.制作試件前對(duì)模具進(jìn)行清潔并均勻涂抹機(jī)油.然后，按上述配合比配置材料，澆筑到模具中進(jìn)行振搗密實(shí)，直至無(wú)氣泡產(chǎn)生.其次，將裂隙固定裝置垂直插入.把試件置于室溫且相對(duì)濕度大于50%的環(huán)境下，砂漿初凝后取出裂隙固定裝置，靜置24 h后脫模，養(yǎng)護(hù)28 d.最后，砂紙打磨試件并進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示.完整類(lèi)巖石試件的力學(xué)參數(shù)如表1所示.

圖1 類(lèi)巖石試件

表1 完整類(lèi)巖石試件的力學(xué)參數(shù)

裂隙長(zhǎng)度L為50 mm，裂隙厚度a分別為0 mm、0.5 mm、1 mm和1.5 mm，裂隙角度α分別為0 °、30 °、45 °、75 °和90 °.含裂隙類(lèi)巖石試件參數(shù)如表2所示.含裂隙類(lèi)巖石試件二維示意圖如圖2所示.

表2 含裂隙類(lèi)巖石試件表

圖2 含裂隙類(lèi)巖石試件二維示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與加載

儀器采用WAW-3000B系列微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)， 如圖3所示. 以0.003 5 mm/s的加載速率對(duì)試件勻速施加法向加載.試驗(yàn)前在試件上下接觸面均勻涂抹黃油以降低邊界因素的影響.為獲取試件的垂直變形量和水平變形量，分別采用7 mm和2.5 mm位移傳感器進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)記錄.

圖3 WAW-3000B系列微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了分析裂隙厚度對(duì)試件力學(xué)性質(zhì)的影響，選取裂隙角度α為0 °，裂隙厚度a分別為0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的單裂隙類(lèi)巖石試件(試件編號(hào)分別為T(mén)-0 mm、T-0.5 mm、T-1.0 mm和T-1.5 mm)作為研究對(duì)象.為減輕偶然因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，每組三個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn).通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得含不同裂隙厚度試件的彈性模量如表3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示.

表3 含不同裂隙厚度試件的彈性模量

圖4 含不同厚度裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖4可知，從平均峰值強(qiáng)度來(lái)看，裂隙厚度a=0 mm時(shí)，試件的平均峰值強(qiáng)度達(dá)到最大值，約為59.82 MPa；在裂隙厚度a=1.5 mm時(shí)，試件的平均峰值強(qiáng)度達(dá)到最小值，約為35.26 MPa.在裂隙厚度從0 mm變?yōu)?.5 mm的過(guò)程中，平均峰值強(qiáng)度從59.82 MPa減至54.89 MPa，變化幅度不大.而當(dāng)裂隙厚度從0.5 mm變?yōu)?.0 mm的過(guò)程中，試件的平均峰值強(qiáng)度從54.89 MPa減至41.52 MPa，下降幅度明顯.之后，隨著裂隙厚度的增加，平均峰值強(qiáng)度也逐漸降低，但是降幅沒(méi)有裂隙厚度為0.5 mm到1.0 mm這一階段明顯.從平均峰值應(yīng)變來(lái)看，在裂隙厚度a=0 mm時(shí)，試件的平均峰值應(yīng)變最大，約為0.18%；裂隙厚度從0 mm到0.5 mm，試件平均峰值應(yīng)變的變化極??；裂隙厚度從0.5 mm到1.0 mm，試件的平均峰值應(yīng)變變化幅度較大；在裂隙厚度a=1.5 mm時(shí)，試件的平均峰值應(yīng)變最小，約為0.12%.總體來(lái)看，不同厚度試件的平均峰值強(qiáng)度和平均峰值應(yīng)變的變化規(guī)律是相似的，a從0 mm增至0.5 mm以及從1.0 mm增至1.5 mm的過(guò)程中，應(yīng)力、應(yīng)變下降幅度較小，但當(dāng)a從0.5 mm增至1.0 mm的過(guò)程中，下降幅度較大.由圖5可知，試件的彈性模量隨著裂隙厚度的增加而降低.裂隙厚度a從0 mm增至0.5 mm，試件的彈性模量下降幅度最大， 從39.05 GPa下降至37.61 GPa， 降幅為3.69%.之后隨著裂隙厚度的增加，彈性模量持續(xù)下降，但降幅逐漸減小.

圖5 不同裂隙厚度試件試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度和彈性模量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)

為分析裂隙角度對(duì)試件力學(xué)性質(zhì)的影響，選取裂隙厚度a為1.0 mm，裂隙角度α分別為0 °、30 °、45 °、75 °和90 °的單裂隙類(lèi)巖石試件(試件編號(hào)分別為T(mén)-0 °、T-30 °、T-45 °、T-60 °和T-90 °)作為研究對(duì)象.為減輕偶然因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，每組三個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn).通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得含不同裂隙厚度試件的彈性模量如表4所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖6所示.

表4 含不同裂隙角度試件的彈性模量

由圖6可知，從平均峰值強(qiáng)度來(lái)看，α從0 °增至30 °時(shí)，試件的平均峰值強(qiáng)度從50.98 MPa降低至42.73 MPa，平均峰值強(qiáng)度變化率為19.31%；α從30 °增至45 °時(shí)， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)幾乎重合，試件的平均峰值強(qiáng)度變化極??；α從45 °變?yōu)?5 °時(shí)，試件的平均峰值強(qiáng)度從42.05 MPa增加至55.27 MPa，平均峰值強(qiáng)度變化率為31.44%，變化幅度十分明顯；當(dāng)α從75 °增至90 °時(shí)，平均峰值強(qiáng)度逐漸增大，但平均峰值強(qiáng)度差距極小.從平均峰值應(yīng)變來(lái)看，當(dāng)α=90 °時(shí)，試件的平均峰值應(yīng)變最大，約為0.17%；當(dāng)α=45 °和α=30 °時(shí)，平均峰值應(yīng)變幾乎相同，與α=90 °試件相比，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)缺少裂紋的非穩(wěn)定發(fā)展階段，所以平均峰值強(qiáng)度和平均峰值應(yīng)變較小.總體來(lái)看，隨著裂隙角度的增大，平均峰值強(qiáng)度和平均峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，α=45 °是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均在α=90 °時(shí)達(dá)到最大值.由圖7可知，試件的彈性模量隨著裂隙角度的增加，呈現(xiàn)“V”字形的變化趨勢(shì).裂隙角度α從0 °增至45 °時(shí)，試件的彈性模量持續(xù)下降；α從45 °增至90 °時(shí)，彈性模量開(kāi)始增大.其中，α從0 °變化到30 °時(shí)，彈性模量的降幅為6.13%；α從30 °增至到45 °時(shí)，彈性模量幾乎不變；α從45 °增至到75 °時(shí)，彈性模量快速增大，增幅為12.59%；當(dāng)α=90 °時(shí)，彈性模量達(dá)到最大值.

圖6 含不同角度裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖7 不同裂隙角度試件試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度和彈性模量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)

2 數(shù)值模擬

2.1 細(xì)觀參數(shù)確定

本研究采用顆粒流離散元軟件PFC3D對(duì)含裂隙巖體進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究.經(jīng)過(guò)對(duì)細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，最終確定如下的細(xì)觀參數(shù)：孔隙率n=0.3；最小顆粒半徑R=6.00 mm；顆粒密度ρ=3348 kg/m3；顆粒摩擦因素μ=0.5；平行黏結(jié)模量Ec=32 GPa；平行黏結(jié)剛度比kn/ks=2.0；平行黏結(jié)抗拉強(qiáng)度σb=16 MPa；平行黏結(jié)黏聚力Cb=17 MPa；平行黏結(jié)內(nèi)摩擦角φb=25 °；平行黏結(jié)半徑乘子λ=1.0.

2.2 建立數(shù)值模型

為保證數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)中模型參數(shù)的一致，模擬構(gòu)建的數(shù)值模型的尺寸被設(shè)置為一樣的幾何尺寸(150 mm×150 mm×300 mm)，相同的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，并且預(yù)制裂紋的位置、參數(shù)也相同，該模型總共包含20 609個(gè)顆粒單元.圖8為含裂隙試件數(shù)值模型示意圖.

圖8 含裂隙試件數(shù)值模型示意圖

2.3 裂隙厚度對(duì)類(lèi)巖石試件力學(xué)性質(zhì)的影響

裂隙長(zhǎng)度L=50 mm，裂隙角度α=45 °，裂隙厚度分別設(shè)置為0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm(模型編號(hào)分別為A-0、A-0.5、A-1.0和A-1.5).對(duì)模型進(jìn)行單軸壓縮模擬，記錄模擬過(guò)程中的各類(lèi)參數(shù).測(cè)得的峰值強(qiáng)度和彈性模量如表5所示.

表5 不同裂隙厚度試件數(shù)值模擬結(jié)果

裂隙厚度對(duì)試件力學(xué)特性的影響詳見(jiàn)圖9和圖10.

圖9 不同裂隙厚度試件模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖10 不同裂隙厚度試件模擬的峰值強(qiáng)度和彈性模量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)

由圖9可知，數(shù)值模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)較為平滑，且都在峰值強(qiáng)度過(guò)后快速跌落.模擬得到的曲線(xiàn)相比試驗(yàn)的曲線(xiàn)，其峰值強(qiáng)度過(guò)后的應(yīng)力值下降幅度較大.

總的來(lái)看，無(wú)論是完整試件模型還是不同裂隙厚度模型，都是從彈性變形階段發(fā)展到非線(xiàn)性變形階段，最終到峰后破壞階段，呈現(xiàn)脆性破壞的特征.由圖10可知，試件的峰值強(qiáng)度隨著裂隙厚度的增加而降低，呈現(xiàn)近似線(xiàn)性減少.試件的彈性模量也隨著裂隙厚度的增加而降低.當(dāng)裂隙厚度從0 mm增至0.5 mm時(shí)，彈性模量的下降速率最快.從這個(gè)階段之后，隨著裂隙厚度的增加，彈性模量繼續(xù)降低，但下降速率也逐漸減小.

2.4 裂隙角度對(duì)類(lèi)巖石試件力學(xué)性質(zhì)的影響

裂隙長(zhǎng)度L=50 mm，裂隙厚度a=1.0 mm，裂隙角度分別設(shè)置為0 °、30 °、45 °、75 °和90 °(模型編號(hào)分別為A-0 °、A-30 °、A-45 °、A-75 °和A-90 °).對(duì)模型進(jìn)行單軸壓縮模擬，記錄模擬過(guò)程中的各類(lèi)參數(shù).測(cè)得的峰值強(qiáng)度和彈性模量如表6所示.

表6 不同裂隙角度試件數(shù)值模擬結(jié)果

裂隙角度對(duì)試件力學(xué)特性的影響詳見(jiàn)圖11和圖12.

由圖11可知，數(shù)值模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在加載前期幾乎是重合的，線(xiàn)彈性階段曲線(xiàn)斜率相差不大，在峰值強(qiáng)度過(guò)后其軸向應(yīng)力會(huì)瞬間下降，這是典型的脆性破壞特征.由圖12可知，不同裂隙角度試樣的峰值應(yīng)力存在較大差異.試件的峰值強(qiáng)度隨著裂隙角度的增大呈V字形趨勢(shì)發(fā)展，即呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì).當(dāng)裂隙角度為0 °時(shí)，峰值強(qiáng)度為51.87 MPa，隨著裂隙角度的增大，峰值強(qiáng)度持續(xù)下降.在裂隙角度為45 °時(shí)達(dá)到最小，為42.11 MPa.45 °之后峰值強(qiáng)度開(kāi)始隨裂隙角度增加而增大，且裂隙角度從45 °到75 °的過(guò)程中，峰值強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于其他階段.由圖12還可知，試件的彈性模量隨裂隙角度的變化呈現(xiàn)為兩個(gè)階段的近似線(xiàn)性關(guān)系.裂隙角度從0 °到45 °時(shí)彈性模量的下降幅度是4.24%，明顯小于裂隙角度從45 °到90 °時(shí)彈性模量的增長(zhǎng)幅度9.27%.

圖11 不同裂隙角度試件模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖12 不同裂隙角度試件模擬的峰值強(qiáng)度和彈性模量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

將室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的含不同裂隙厚度及角度裂隙試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比，如圖13所示.

(a)不同裂隙厚度

(b)不同裂隙角度

由圖13可知，模擬的曲線(xiàn)比試驗(yàn)的曲線(xiàn)更加平順，沒(méi)有較多波動(dòng)，其峰后應(yīng)力下降幅度較大，這是由于構(gòu)建數(shù)值模型時(shí)采用了平直節(jié)理接觸模型，該模型允許試件破壞后顆粒單元發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生微變形.當(dāng)模型發(fā)生破壞時(shí)，顆粒單元還在運(yùn)動(dòng)，模型繼續(xù)變形破壞，從而導(dǎo)致峰值應(yīng)力過(guò)后曲線(xiàn)跌落速率較大.總的來(lái)看，無(wú)論是室內(nèi)試驗(yàn)還是數(shù)值模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，都存在從彈性變形階段發(fā)展為非線(xiàn)性變形階段，最后到峰后破壞階段的過(guò)程，呈現(xiàn)脆性破壞的特征.

試件的破壞和變形可以從顆粒的運(yùn)動(dòng)以及位移的變化中看出.考慮到室內(nèi)試驗(yàn)試件破壞時(shí)的狀態(tài)并不能直接顯示試件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的狀況，故將其與數(shù)值模擬圖對(duì)比，更進(jìn)一步分析破壞機(jī)理.圖14和圖15分別是含不同厚度裂隙的試件發(fā)生破壞及含不同角度裂隙的試件發(fā)生破壞的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比圖，圖中箭頭的方向表示顆粒的移動(dòng)方向.

由圖14可知，含不同厚度裂隙的試樣發(fā)生破壞時(shí)，試樣模型的顆粒位移矢量變化是不同的.對(duì)于完整模型而言，破壞發(fā)生時(shí)顆粒位移較大的單元主要位于模型的左側(cè)及上部，而室內(nèi)試驗(yàn)的破壞結(jié)果也證明了試件發(fā)生破壞時(shí)，產(chǎn)生的裂紋也基本存在于試件的左側(cè)和上部.當(dāng)裂隙厚度為0.5 mm和1.0 mm時(shí)，模型的顆粒位移矢量有較大變化，從完整模型發(fā)生破壞時(shí)裂紋主要集中在左側(cè)和上部變?yōu)橹饾u向中部和右側(cè)轉(zhuǎn)移.伴隨裂隙厚度的不斷增大，顆粒整體位移量向右半部分集中.

(a)裂隙厚度為0 mm

由圖15可知，當(dāng)裂隙角度為0 °時(shí)，模型的顆粒單元位移量主要集中在左上部分和右側(cè)部分，室內(nèi)試驗(yàn)的破壞圖中試件的左上部分和右側(cè)部分均相應(yīng)地存在一條明顯裂紋.當(dāng)裂隙角度為30 °時(shí)，模型的左下部分及右上部分存在較大的顆粒整體位移量.而室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一現(xiàn)象.當(dāng)裂隙角度為75 °時(shí)，模型的顆粒位移量集中在左下側(cè)及中部.伴隨裂隙角度的不斷增大，破壞時(shí)試樣中心位移量明顯增大，同時(shí)模型的上端顆粒也發(fā)生少量位移.觀察室內(nèi)試驗(yàn)記錄下的破壞狀態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)試件破壞時(shí)產(chǎn)生的裂紋逐漸減少，宏觀裂紋也逐漸變小，當(dāng)裂隙角度達(dá)到90 °時(shí)，明顯的宏觀裂紋也不再出現(xiàn).

(a) 裂隙角度為0 °

4 結(jié)論

本文結(jié)合含裂隙類(lèi)巖石材料的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)和基于PFC3D軟件的數(shù)值模擬，研究了單軸壓縮條件下含有不同裂隙厚度及裂隙角度的試件在力學(xué)特性和裂紋擴(kuò)展方面呈現(xiàn)的特征規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析得出以下結(jié)論：

(1)完整試件的峰值強(qiáng)度和彈性模量均高于含裂隙試件.完整試件屬于脆性的劈裂破壞，破壞時(shí)產(chǎn)生的宏觀裂紋方向與軸向壓力方向近似平行.當(dāng)試件的應(yīng)力值越接近峰值強(qiáng)度時(shí)，細(xì)微裂紋的發(fā)育也越明顯.含裂隙試件隨著裂隙厚度的增加，剪切微裂紋不斷發(fā)育，最后發(fā)生拉剪混合破壞.

(2)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律是一致的，都是從彈性變形階段發(fā)展到非線(xiàn)性變形階段，最后到峰后破壞階段，呈現(xiàn)脆性破壞的特征.試件的峰值強(qiáng)度和彈性模量均隨著裂隙厚度的增加而降低.當(dāng)裂隙厚度從0 mm增至0.5 mm時(shí)，彈性模量的下降速率最快，之后雖然裂隙厚度增加彈性模量繼續(xù)降低，但是下降速率也逐漸減小.試件的峰值強(qiáng)度和彈性模量均隨著裂隙角度的增大呈現(xiàn)“V”字形的變化趨勢(shì).當(dāng)裂隙角度從0 °變化到45 °時(shí)，隨著裂隙角度的增大，峰值強(qiáng)度和彈性模量持續(xù)下降.在裂隙角度為45 °時(shí)達(dá)到最小，45 °之后試件的峰值強(qiáng)度和彈性模量開(kāi)始隨裂隙角度增加而增大，且裂隙角度從45 °到75 °的過(guò)程中，峰值強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于其他階段.

(3)裂隙厚度和裂隙角度的變化會(huì)導(dǎo)致巖石破裂變形特征的變化.隨著裂隙厚度的增加，破壞時(shí)模型右側(cè)部分位移量也隨之增加，產(chǎn)生的裂紋漸漸向右側(cè)和中間發(fā)育.當(dāng)裂隙厚度足夠大時(shí)試件右上角會(huì)產(chǎn)生宏觀裂紋，使試件徹底喪失強(qiáng)度.隨著裂隙角度的增加，剪切微裂紋數(shù)目隨之增加，試件也由拉伸破壞逐漸向拉剪混合破壞發(fā)展.隨著裂隙角度的增加，破壞由兩側(cè)轉(zhuǎn)移至中間，試件也從拉伸破壞變?yōu)槔艋旌掀茐模⑶移茐闹饾u向中部發(fā)展，宏觀裂紋也逐漸減少.