巖樣微裂隙分布與單軸壓縮破壞關系模擬研究?

何耀宇宋選民邢平偉

(1.太原理工大學采礦工藝研究所,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學繼續教育學院,山西省太原市,030024)

巖樣微裂隙分布與單軸壓縮破壞關系模擬研究?

何耀宇1宋選民1邢平偉2

(1.太原理工大學采礦工藝研究所,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學繼續教育學院,山西省太原市,030024)

采用有限元數值模擬的方法,對不同裂隙分布的巖石試樣進行單軸加載壓縮的數值模擬試驗,通過引入壓剪指數和拉伸指數對巖樣的破壞進行判斷,分析不同裂隙條件下巖樣的破壞特征及其傾向程度,探索裂隙巖樣的破壞機理和影響規律。研究結果表明單軸壓縮條件下,標準的裂隙巖樣破壞主要受拉應力控制,且破裂面出現的概率具有單斜破壞面＞豎向破壞面＞錐形破壞面的特征,其結論與實驗室的大量試驗結果吻合,并從機理上解釋了微裂隙巖石單軸壓縮破壞過程。

巖樣破壞 巖樣微裂隙 裂隙形態 單軸壓縮 破壞指數 數值計算

隨著深部開采礦區的增多,地下巖石工程穩定性的問題日漸突出。對于礦業工程領域而言,解決地下巖石工程穩定性的基礎是巖石力學,巖石力學理論的不斷進步才會帶來巖石工程穩定性分析的飛躍。地下巖石作為一種經歷多次地質構造運動時期作用并留有構造形跡的復雜天然材料,其內部存在著大量的弱面及微裂隙,巖石的破壞通常是沿著弱面滑動的壓剪破壞和弱面分離的張拉破壞,即使在最簡單的單軸壓縮條件下亦是如此。因此,巖石的變形破壞細觀上表現為巖石內部空隙結構的擴張、貫通、滑移的不斷演化和發展,研究巖石變形破壞特征和機理是目前巖石力學的復雜難題之一。

巖石變形破壞模擬試驗經常采用的方法有有限元、離散元、有限差分法等,尤其是有限元方法具有技術成熟、計算效率高等優點,當前主要的問題聚焦在破壞指數的確定方面,關于巖石破壞指數的研究已有不少成果,主要是依據巖石強度理論發展而來。因此,選取合理的數值計算方法,并依據合理巖石強度破壞準則與指標來判斷巖石受力過程中的破壞特征,對研究巖石變形破壞規律具有非常重要的意義。

基于此,本文將利用有限元數值模擬方法研究不同微裂隙條件下巖石試樣單軸壓縮時其內部壓剪破壞指數和拉伸破壞指數的分布規律及特征,探討微裂隙面和受力方位相對關系及不同微裂隙組合對巖石破壞傾向的影響程度。研究將對巖石變形破壞機理的深入具有推進作用。

1 分析模型及試驗方案

1.1 分析模型

理論上,單軸壓縮條件下均質巖樣的受力特征為同一應力狀態,但實驗室試驗過程中一般無法完全克服壓力機的端頭摩擦效應,致使實際的巖石試驗結果或多或少地受端頭摩擦效應的影響。在本文的數值模擬過程中,基于理想的單軸壓縮試驗,建立數值計算模型及邊界條件。模型寬50 mm,高 100 mm,下邊界限制豎直方向的位移,上邊界給一豎向位移,模擬壓力機的位移控制壓縮試驗。試驗中采用傳統彈塑性本構模型,忽略與時間相關的因素。

1.2 試驗方案

大量試驗研究和理論分析成果表明,巖體內部微裂隙的形狀、尺寸和受力方位對于巖體的變形和破壞具有控制作用。本次試驗考慮能反映巖石試樣損傷特征的橢圓縫裂隙,試驗方案共6組,如圖1所示。

數值模擬計算中巖石的力學參數,以沁水煤田西河煤礦3#煤層的力學特性為工程對象,其中煤的彈性模量500 MPa,單軸抗壓強度9.8 MPa,黏聚力1.5 MPa,內摩擦角30°。豎向壓縮位移控制為2 mm。

2 破壞指數的分布特征及規律

現有巖體破壞理論研究成果表明,巖石的破壞主要分為壓剪破壞和拉伸破壞兩種模式。本文基于巖體壓剪破壞機理和拉伸破壞機理構建巖體破壞指數,包括壓剪指數和拉伸指數。壓剪指數為巖體在摩爾-庫倫準則下材料的應力狀態壓縮指數與綜合抗壓強度的比值,其值越大破壞指數越高,巖體壓剪破壞的傾向性越強;拉伸指數為巖體在格里菲斯準則下材料的應力狀態拉伸指數與綜合抗拉強度的比值,其值越大破壞指數越高,巖體拉伸破壞的傾向性越強。

2.1 巖樣的壓剪指數

模擬得到不同方案條件下巖樣的壓剪指數分布圖,如圖2所示。

圖2 不同方案下壓剪指數分布

從圖2中可以看出,方案1在圓孔裂隙周圍出現壓剪指數集中區域,分布呈現孔上∨形、孔下∧形分布特征,證明此種圓孔裂隙分布的巖樣其壓縮破壞具有沿孔徑在傾斜方向滑移破壞的趨勢,破壞形式為錐形,與一般無裂隙試樣的單軸壓縮破壞相類似。方案2在裂隙周圍出現橢圓環形壓剪指數集中區域,表明在壓縮載荷的作用下原始的裂隙形成長軸與短軸比更小的橢圓孔洞。方案3在裂隙周圍出現明顯的X形,表明破壞沿裂紋的尖端傾斜擴展,具有典型的錐形剪裂破壞傾向。方案4壓剪指數分布呈現S形特征。方案5和方案6壓剪指數分布和方案4基本相同。

壓剪指數分布特征表明圓孔裂隙呈現上∨下∧形壓剪指數集中區;水平裂隙呈現橢圓環形壓剪指數集中區;豎直裂隙壓剪指數集中區域呈現X形;斜裂隙壓剪指數集中區域呈現S形。

2.2 巖樣的拉伸指數

模擬得到不同方案條件下巖樣的拉伸指數分布,如圖3所示。

圖3 不同方案下拉伸指數分布

由圖3可知,方案1在圓孔裂隙周圍出現壓剪指數集中區域,分布在圓孔兩側,呈X形向四周展開,據此推斷拉應力效應會使巖樣壓縮試驗產生典型的錐形破壞形態。方案2、方案3和方案1的特征基本相同,均表現為具有錐形破壞形態的傾向。方案4和方案5拉伸指數集中區域分布呈現近似豎向分布,據此推斷拉應力效應會產生巖石力學試驗典型的柱狀劈裂破壞形態。方案6兩條裂隙拉伸指數集中區域具有連通性,據此推斷破壞將為受裂隙控制的典型單向剪切破壞。

拉伸指數分布特征表明圓孔裂隙、水平裂隙、豎直裂隙周圍呈現X形拉伸指數集中區,具有X型破壞特征;單個斜裂隙、豎向方向傾斜裂隙組周圍呈現近似豎向區域拉伸指數集中區,具有豎向張裂破壞特征;斜向方向傾斜裂隙組周圍呈現近似傾斜區域拉伸指數集中區,具有單向滑動破壞特征。

基于兩個強度理論的數值模擬計算表明,無論是哪種指數,單軸壓縮試驗的破壞形態特征都表現為錐形剪裂、柱狀劈裂和單向剪切3種形式,該試驗結論與實驗室巖石單軸壓縮試驗的測試結果基本一致。

3 裂隙分布形態對破壞指數的影響

前面的分析獲得了不同裂隙形態下壓剪指數和拉伸指數分布特征及可能出現的破壞特征,然而,不同裂隙分布形態下不僅破壞指數分布規律不同,其破壞指數的數值亦有巨大差異。基于此,分析不同裂隙分布形態下壓剪指數極值、拉伸指數極值以及拉伸指數極值與壓剪指數極值比的規律,為試件穩定性狀況分析和破壞傾向性程度判斷提供依據。

不同方案條件下拉伸指數最大值柱狀圖見圖4所示。據圖4可知,拉伸指數最大值從小到大依次為方案3＜方案1＜方案4＜方案2＜方案5＜方案6,亦即豎直裂隙＜圓孔＜單個斜裂隙＜水平裂隙＜豎向方向傾斜裂隙組＜斜向方向傾斜裂隙組。

圖4 不同方案下最大拉伸指數

不同方案條件下壓剪指數最大值柱狀圖如圖5所示。據圖5可知,壓剪指數最大值從小到大依次為方案3＜方案1＜方案5＜方案4＜方案2＜方案6,亦即,豎直裂隙＜圓孔＜豎向方向傾斜裂隙組＜單個斜裂隙＜水平裂隙＜斜向方向傾斜裂隙組。

不同方案條件下拉伸指數最大值與壓剪指數最大值比柱狀圖如圖6所示。由圖6可知,其數值特征從小到大依次為方案3＜方案1＜方案4＜方案2＜方案6＜方案5,亦即豎直裂隙＜圓孔＜單個斜裂隙＜水平裂隙＜斜向方向傾斜裂隙組＜豎向方向傾斜裂隙組。

圖5 不同方案下最大壓剪指數

圖6 不同方案下最大拉伸指數與壓剪指數比

現場實際中巖體內部存在各種形態的裂隙,對其分類可以近似分為圓形裂隙、水平裂隙、豎向裂隙和傾斜裂隙的組合,其破壞受關鍵裂隙組的控制。綜合分析可知單軸壓縮條件下,裂隙巖體的破壞主要由拉應力引起。傾斜裂隙組更容易引起巖石試件破壞,破壞特征呈現典型的沿單一傾斜面。其次為豎向傾斜裂隙組與單個傾斜裂隙,破壞特征呈現典型的平行于加載方向的多個破裂面。最后為豎向裂隙、水平裂隙及圓孔隙,破壞特征為典型的雙錐形破壞面。

大量的試驗研究表明巖石在單軸壓縮條件下破壞特征出現的概率具有單斜面破壞＞豎向面破壞＞錐形面破壞,這是由于巖體內部存在大量的裂隙組,同等條件下斜向傾斜裂隙組的控制作用大于豎向傾斜裂隙組,且后者大于單個裂隙。這種表現形式與本文分析所得結論完全一致。

4 結論

(1)巖體內部存在大量各種形態的裂隙,可以近似簡化為圓形裂隙、水平裂隙和傾斜裂隙的組合,其破壞程度和形態將受發育程度最高的關鍵裂隙組控制。

(2)裂隙巖體在單軸壓縮條件下破壞特征出現的概率具有單斜面破壞＞豎向面破壞＞錐形面破壞的特征。

(3)單軸壓縮條件下,裂隙巖體的破壞主要由衍生的拉應力引起。

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Numerical simulation study on relationship between micro-fissuring distribution and uniaxial compression failure of rock samples

He Yaoyu1,Song Xuanmin1,Xing Pingwei2
(1.Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China; 2.School of Continuing Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

By adopting numerical simulation with finite elements,numerical simulation test of uniaxial compression was carried out to study the different fissuring distribution of rock samples.Though introducing compression-shear index and stretch index to estimate the failure of rock samples,failure characteristics and tendency of rock samples with different fissuring conditions were analyzed,and failure mechanism and influencing rule of the rock samples with fissuring were discussed.The results showed that under the condition of uniaxial compression,the failure of normal rock sample with fissuring was mainly controlled by tensile stress,and the appearance probability of monoclinic failure plane was greater than that of vertical failure plane,and which was greater than that of subulate failure plane,and the results were agree with lots of tests,it explained the failure process of rock with fissuring under the uniaxial compression in mechanism.

failure of roak sample,micro-fissuring of rock sample,fissuring form,uniaxial compression,failure index,numerical calculation

TD313 TU452

A

何耀宇(1974-),男,山西霍州人,博士研究生,主要從事巖石力學研究工作。

(責任編輯 張毅玲)

山西省聯合基金項目(2012012012)