复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式及强度的影响_王其虎.pdf

收稿日期2019-10-10 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51704213） ， 湖北省自然科学基金项目 （编号 2017CFC831） ， 湖北省2017年安全生产专项资金项目 （编 号 HBAJ2017-35） ， 武汉科技大学2018年度研究生创新创业基金项目 （编号 JCX201855） 。 作者简介王其虎 （1987） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。通讯作者胡南燕 （1991） ， 女， 讲师， 博士。 复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式 及强度的影响 王其虎 1， 2 王杰 1 叶义成 1， 2 王为琪 1 黄畅畅 1 胡南燕 1， 21 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要大量矿山岩体工程中广泛存在着不同性质岩石相互接触， 局部构成了典型的复合岩体， 复合岩体的 破坏相对于单一岩体更为复杂， 为探究复合岩体中裂隙几何特征对其整体破坏模式及强度的影响， 对含单裂隙的 复合岩样进行了单轴压缩模拟试验。结果表明 在单轴压缩条件下， 裂隙倾角或长度越大， 复合岩样中力学性能相 对较弱一侧的裂隙扩展尤其是反翼扩展范围越小， 其破坏模式呈现出 “X” → “y” → “＞” 的过渡变化特征； 复合岩样 整体强度与裂隙长度、 裂隙倾角分别呈现出线性负相关和 “S” 型非线性正相关， 而对于裂隙平行于轴向荷载的复合 岩样， 其整体强度与完整复合岩样整体强度较为接近， 研究结论在一定程度上揭示了复合岩样的破坏过程， 能够为 复合岩体工程的加固提供理论支撑。 关键词复合岩样单轴压缩裂隙扩展几何特征破坏模式抗压强度 中图分类号TD313文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -02-134-07 DOI10.19614/ki.jsks.202002023 Effect of Single Fracture Geometric Characteristics of Composite Rock Samples on Its Failure Mode and Strength Wang Qihu1， 2Wang Jie1Ye Yicheng1， 2Wang Weiqi1Huang Changchang1Hu Nanyan1， 22 （1. School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractThere are widely contacting among different properties of rocks in a large number of mine rock mass engineer- ing， so typical composite rock masses were locally ed. The failure of composite rock mass is more complex than that of sin- gle rock mass. In order to explore the impact of fracture geometry characteristics in composite rock mass on its overall failure mode and strength， the uniaxial compression simulation test of composite rock sample with a single fracture is carried out. The results show that under the condition of uniaxial compression，the larger the dip or length of the fracture，the smaller the ex- tension range of the fracture on the side with relatively weak mechanical properties， especially the extension range of the anti- wing， and its failure mode presents the transitional characteristics of “X“ → “y“ → “＞“. The overall strength of the composite rock sample shows a linear negative correlation with the fracture length and the fracture dip， and a nonlinear positive correla- tion with “s“ type respectively. But for the composite rock sample in which the fracture is parallel to the axial load， its overall strength is close to that of the complete composite rock sample. The conclusion reveals the failure process of the composite rock sample to a certain extent， which can provide theoretical support for the reinforcement of the composite rock project. KeywordsComposite rock sample，Uniaxial compression，Fracture expansion，Geometric characteristics， Failure mode， Compressive strength 大量岩体工程中广泛存在着不同性质岩石相互接触， 例如 矿岩接触带巷道、 层状矿床采场顶板、 复 总第 524 期 2020 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 524 February 2020 采矿工程 134 ChaoXing 合充填体等， 局部范围构成了典型的复合岩体， 这些 复合岩体的力学特性决定了其工程稳定性。由于不 同岩石介质之间力学性质存在差异而又相互接触约 束， 它们所构成的复合岩体在外加荷载下的宏观力 学行为特征相对于单一岩体更为复杂， 无法简单地 采用某一种岩石的力学参数进行描述。因此， 国内 外众多学者对工程体与地质体所构成的复合结构 体， 以及盐岩、 煤岩、 相似材料等所构成的层状复合 岩石进行了实验研究。Zhao等 ［1］、 Liu等［2］研究了煤 岩复合体强度的差异性， 实验表明煤岩复合体的强 度主要取决于煤体强度而不是岩体强度， 且破坏主 要发生在煤体内部。王安明等 ［3-4］、 刘晓云等［5-6］、 Li 等 ［7］对于含夹层的岩盐， 其强度介于纯岩性的强度范 围内， 最易变形的部分控制着复合岩体的破坏行为。 左建平等 ［8］认为在单轴条件下， 受界面派生应力的影 响， 煤体以劈裂破坏为主， 煤体内的裂纹可扩展到岩 体中。Zhao等 ［9］、 余永强等［10］考虑界面黏结强度对破 坏模式的影响。理论分析了煤岩的弹性模量及侧向 变形能力的差异导致了复合体发生差异性破坏。刘 学伟等 ［11］、 Liu等［12］研究了裂隙形式对岩体强度特征 及破坏模式的影响， 杨圣奇等 ［13］、 付金伟等［14］、 王浩 宇等 ［15］研究了单一岩体裂纹细观试验扩展情况及扩 展机理， 对复合体研究甚少。并可以看出目前针对 复合岩样力学特性的大部分研究重点关注其宏观整 体力学特性， 较少从微观上研究复合岩体中裂隙的 扩展特征。而复合岩体的宏观破坏从本质上来讲是 裂隙的萌生扩展贯通所导致的， 因此， 有必要对 复合岩体中裂隙的扩展规律及其对复合岩体宏观破 坏模式和强度的影响进行探讨。 基于此， 本项目从微观上考虑复合岩体中原生 裂隙的几何特征对其宏观力学特性的影响， 通过建 立由2种岩石构成的含单裂隙的复合岩样数值模型， 对复合岩样在单轴压缩载荷下的裂隙扩展进行模拟 研究， 重点分析裂隙长度、 倾角等裂隙几何参数对复 合岩样的破坏模式和强度特性的影响。 1模拟方案 给出复合岩样中的单裂隙几何特征， 由岩石A和 岩石B构成复合岩样AB模型。模型尺寸60 mm60 mm120 mm， 划分网格共有 278 600 个节点， 1 612 100个单元， 模型预制1条长度2a、 倾角α （裂隙与水 平方向的夹角） 、 张开度 ［16］t、 纵向贯通的裂隙。并假 定岩石A、 B两侧裂纹起裂角分别为γ和β， 如图1所 示。 边界条件 在岩样上、 下表面进行位移控制加 载， 加载速度510-7m/step， 其余表面均为自由面 ［9］。 本构模型及参数 考虑应变的增大将导致岩样 产生裂纹、 性能劣化等， 同时为了能够获得完整的单 轴压缩应力与应变曲线， 所以本研究采用应变软化 本构模型 ［15， 17］， 对含有单裂隙的复合岩样AB进行单 轴压缩模拟， 岩石A、 B的相关物理力学参数 ［9， 17， 18］如 表1和表2所示。 按照裂隙长度10 mm、 12 mm、 14 mm、 16 mm、 18 mm， 裂隙倾角0、 30、 45、 60、 75、 90， 交叉设计具 有不同几何特征的裂隙30条， 分别在岩样A、 B、 AB中 预制这些裂隙， 再加上3组完整的岩样， 共计93个模 拟岩样。 2复合岩样与单一岩样破坏模式及强度比较 复合岩样在外加荷载下的破坏模式及强度特征 相对于单一岩体更为复杂， 为了研究复合岩样破坏 的特殊性， 首先对比分析含单裂隙的复合岩样与单 一岩样的破坏模式及强度规律的差异性。以裂隙几 何参数为2a16 mm、 α45的复合岩样破坏模式以及 单一岩样破坏模式为例进行分析。 王其虎等 复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式及强度的影响2020年第2期 135 ChaoXing 图2为2a16 mm、 α45时岩样AB的破坏过程， 当加载到1.91 MPa时， 裂隙端部两侧开始出现拉伸 破坏， 形成翼裂纹发展趋势， 并以β35方向由端部 上方向外扩展； 继续加载到5.40 MPa和6.51 MPa时， A侧裂隙端部左上方开始以 γ70方向发生剪切扩 展， B 侧裂隙端部右下方开始出现小型拉伸破坏。 整体上 A 侧裂隙端部扩展速度快于 B 侧裂隙端部， 且 B侧裂隙端部右下方的塑性区发展缓慢， 最终达 到峰值应力时呈现出典型的 “y” 型破坏。而岩样A、 B 的破坏过程则呈现出显著差异。在破坏形式上， 岩样A、 B分别发生四翼 “X” 状共轭斜面剪切破坏和 两翼单斜面剪切破坏， 如图 3所示。从塑性区分布 上看， 岩样 A、 B 中的裂隙发生对称均匀扩展， 而 AB 岩样中 B侧裂隙端部下方扩展范围小， 裂隙扩展不 对称。 3种岩样的抗压强度均与裂隙倾角呈现出正相 关， 而与裂隙长度则呈现出负相关。同样的裂隙几 何特征状态下， 岩样A的强度最大， 岩样B的强度最 小， 如图4所示。 3种岩样的应变与裂隙倾角也呈现正相关， 与长 度则呈现出负相关， 岩样A的应变最小且随裂隙倾角 的变化速率较慢， 岩样AB的应变随裂隙倾角的变化 规律同岩样A较为接近， 如图5所示。 3裂隙几何特征对复合岩样破坏模式与强度 的影响 3. 1裂隙倾角对复合岩样破坏模式的影响 对于α0的复合岩样， 当荷载达到2.08 MPa时， 裂隙上下表面开始出现拉伸破坏； 荷载达到2.45 MPa 时， 裂隙开始出现由中部及两尖端向外上下扩展的 现象， A侧裂隙端部发生沿γ120方向以剪切破坏为 主的上下对称扩展， B侧裂隙端部则发生沿β75方 向以拉剪复合破坏为主的上下对称扩展； 随荷载的 增加， 裂隙中部拉伸破坏单元越来越密集， 并向B侧 扩展， 逐渐与B侧裂隙端部破坏区相沟通， 如图6所 示。 对于α30的复合岩样， 荷载达到1.82 MPa时， B 侧裂隙尖端开始出现拉伸破坏， 并沿β50方向发生 金属矿山2020年第2期总第524期 136 ChaoXing 拉伸扩展形成翼裂纹； 加载到4.51 MPa时，A侧裂隙 端部上方开始出现沿γ90方向的剪切破坏， 同时B 侧裂隙端部下方开始出现拉伸破坏， 并不断扩展至 岩样边界， 形成四翼非对称的 “X” 型破坏， 见图7所 示。 对于α60的复合岩样， 荷载达到2.25 MPa时， 先在裂隙上下表面出现破坏， 形成翼裂纹发展趋势， 然后B侧裂隙端部沿β15方向开始出现拉剪复合破 坏； 加载到6.82 MPa和8.12 MPa时， 分别在A侧裂隙 端部出现沿γ55方向剪切破坏和B侧裂隙端部下 方出现小范围剪切破坏。最终， 复合岩样呈现出三 翼 “y” 型破坏， 如图8所示。 对于α75的复合岩样， 起裂应力较大， 荷载达 到3.47 MPa时， 首先在裂隙表面发生破坏， 形成翼裂 纹发展趋势， 之后在B侧裂隙端部沿β0方向出现拉 剪复合破坏； 加载到8.90 MPa和9.39 MPa时， 分别在 裂隙端部沿γ45方向发生剪切破坏和B侧裂隙端 部下方处发生小范围剪切破坏。整体上看， 复合岩 样的破坏主要发生在A侧， B侧破坏范围较小， 最终 复合岩样呈现出三翼 “＞” 型破坏， 如图 9所示。 当α90时， 岩样AB起裂应力急剧增大， 在7.68 MPa时， B侧裂隙表面才开始出现拉伸破坏单元； 继 续加载， 在A侧尖端出现剪切破坏， 裂隙沿A-B交界 面扩展， 加载到10.56 MPa时轴向扩展趋于稳定， 而 在A侧裂隙表面出现剪切破坏并迅速向外发展， 如图 10所示。 综上所述， 从破坏形式上来看， 复合岩样在初期 加载阶段， 裂隙表面首先出现破坏， 随着荷载增大， 裂隙端部产生翼型扩展； 裂隙倾角α越大， 裂隙的起 裂应力越大， 翼起裂角β和反翼起裂角γ越小， 如图 11和图12所示。B侧裂隙端部上下的扩展区域随α 的增大， 扩展范围越来越小， 尤其是下方区域。从扩 展的起始位置上来看， 当α≥60时， 翼裂纹扩展的起 始位置为裂隙端部； 当α＜60时， 翼裂纹的扩展是在 裂隙表面靠近端部两侧， 见图13所示。随着α增大， B侧下方的塑性区从B侧裂隙上部尖端逐渐向下移 动。从扩展速度和范围来看， B侧下方的塑性区晚于 A侧出现， 且发展缓慢， 扩展范围小。整体上， 随着裂 隙倾角的增大， 复合岩样的破坏模式呈现出由 “X” → “y” → “＞” 过渡的变化特征， 见图13所示。 3. 2裂隙倾角对复合岩样单轴抗压强度的影响 图14为2a16 mm不同裂隙倾角复合岩样的应 王其虎等 复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式及强度的影响2020年第2期 137 ChaoXing 力应变曲线， 可以看出 α越小， 峰值应力越小， 峰后 表现出延性越明显； 当α90时， 复合岩样应力应变 曲线与完整岩样应力应变曲线几乎完全重合， 表明 当 α90时， 裂隙对复合岩样的力学特性影响不显 著； 而复合岩样的弹性模量随裂隙倾角的增大而增 大。 复合岩样的单轴抗压强度与裂隙倾角呈现非线 性正相关， 其强度随裂隙倾角的变化曲线呈现出典 型的 “s” 形状， 这里可根据强度随裂隙倾角的变化速 率将曲线划分为3个区域， 如图15所示。Ⅰ区域 （α≤ 45） 随着倾角的增加， 抗压强度缓慢上升， 该区域的 强度对裂隙倾角的增加敏感度低。Ⅱ区域 （45＜α≤ 75） 抗压强度随裂隙倾角的增加呈现出急剧增加趋 势， 该区域的强度对裂隙倾角非常敏感。Ⅲ区域 （α＞ 75） 抗压强度随裂隙倾角的增加呈现出缓和增加趋 势， 该区域的强度对裂隙倾角的增加敏感度较低。 3. 3裂隙长度对复合岩样破坏模式的影响 对于裂隙倾角α0、 75的复合岩样， 随着裂隙 长度的增加， 岩样的破坏模式变化不大。对于α0 的岩样， 裂隙越长， 裂隙中部的拉伸破坏单元越密集 且越靠近B侧裂隙端部， 最终由于两侧裂隙扩展的差 异性形成四翼非对称型的 “X” 破坏， 如图16所示； 而 对于α75的岩样则呈现出 “＞” 破坏。 对于裂隙倾角α30、 45、 60的复合岩样， 随着 裂隙长度的变化， 复合岩样表现出2种不同的破坏模 式， 如图16所示。α30、 α45时， 随着裂隙长度的 增加， B侧裂隙端部下方的扩展范围逐渐变小， 扩展 模式由四翼非对称的 “X” 破坏向三翼 “y” 型破坏过 渡。当α60时， 随着裂隙长度的增加， B侧上方的扩 展范围变大，B侧下方的扩展范围逐渐变小， 扩展模 式由两翼单斜面剪切破坏向三翼 “y” 型破坏过渡， 如 图16所示。 3. 4裂隙长度对复合岩样单轴抗压强度的影响 复合岩样的单轴抗压强度与裂隙长度呈现出线 性负相关， 且裂隙倾角越大， 复合岩样的单轴抗压强 度随裂隙长度的变化越不显著， 当α90时， 抗压强 度与裂隙长度关系不大， 几乎与完整复合岩样的抗 压强度相同， 这也表明 α90时复合岩样中裂隙的 存在对其抗压强度影响不大， 如图17所示。 4结论 （1） 随着裂隙倾角的增大， 复合岩样中力学性能 金属矿山2020年第2期总第524期 138 ChaoXing 相对较弱一侧的裂隙扩展尤其是反翼扩展范围逐渐 减小， 且起裂位置从上部尖端逐渐向下变化， 破坏模 式呈现出由 “X” → “y” → “＞” 的过渡变化特征， 而两侧 的翼起裂角和反翼起裂角也同时变小， 起裂应力则 逐渐增大； 复合岩样整体强度随裂隙倾角呈现出 “s” 型非线性正相关。 （2） 随着裂隙长度的增大， 复合岩样中力学性能 相对较弱一侧的裂隙扩展尤其是反翼扩展范围同样 的也逐渐减小， 复合岩样整体强度与裂隙长度呈现 出线性负相关。 （3） 对于裂隙平行于接触面的复合岩样， 其强度 和变形特性受裂隙长度的影响均不显著， 与完整复 合岩样的较为接近。 （4） 研究结论表明 复合岩体中裂隙倾角越小， 裂隙扩展形成的破裂面越发育， 其整体强度也越低， 越不利于其整体稳定性， 因此， 接触带巷道、 复合充 填体等复合岩体工程中需重点对近垂直于接触面的 裂隙进行加固。 （5） 本项目是以2种典型岩石构成的复合岩样为 研究对象， 利用数值模拟探讨了复合岩样中单裂隙 几何特征对其破坏模式及强度的影响。而构成复合 岩样的2种岩石的力学特性差异也会影响到复合岩 样中裂隙的扩展规律， 可结合相似实验对含单裂隙 的不同强弱组合复合岩样的裂隙扩展特性开展进一 步验证和研究。 参 考 文 献 Zhao Zenghui，Wei Ming，Wang Chunquan，et al. 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