加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究
于利强
姚强岭
徐强
王伟男
牛志军
刘伟冬
中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116
摘要：为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响,采用中心钻孔法在50 mmX50 mmX 100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙,并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究,综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征.结果 表明:裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种,根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4(拉伸)型、S1 ～3(剪切)型、M1～2(混合)型等9种类型,裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型,且均与岩样加载破坏过程密切相关.岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α,随着α的增加,裂纹起裂应力升高,起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移,裂纹前期萌生数量降低,岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡.加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响,随着加载速率的增加,裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹,且不再向其他裂纹类型转化,裂纹起裂时间缩短,破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡,岩样表面宏观裂纹数目降低.岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关,声发射定位信息准确地反应了岩样的内部损伤情况.PFC数值模拟试验结果有效支撑了室内物理实验的结论,并反映出岩样裂纹萌生与扩展的根本原因是应力场的变化和转移,且压应力主要集中在预制裂隙尖端,而拉应力则主要集中在裂纹萌生的附近,一定程度上,拉应力场的分布揭示了裂纹萌生的主要趋势.
关键词：裂纹扩展裂隙细砂岩加载速率裂隙倾角破坏模式
分类号：TD315(矿山压力与支护)
资助基金：国家重点研发计划(2018YFC0604703)国家自然科学基金(51874283)煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究资助项目(SKLCRSM18X005)
论文发表日期：2021-11-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 3488-3501 )
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