裂 隙 砂 岩 真 三 轴 循 环 加 卸 载 损 伤 演 化 特 性

一、案例背景与目的

单坚硬顶板垮落步距大, 块度大, 矿压显现强烈 。 在煤炭开采过程中,受外部冲击、开采扰动等作用的影响,岩体常处于循环加载和卸载的应力状态 。 地 层 在 经 历 了 长 期 地 质 构 造 运 动 的 剪切、挤压作用后,岩体内部存在不同形态的节理和裂隙。 岩石的变形特征、强度特征及损伤力学特征与其所受的应力状态和受载历史密切相关 。 因此,研究裂隙砂岩在复杂应力路径下的破坏过程,分析其损伤演化特性,对煤炭资源开采过程中坚硬顶板的稳定性控制具有重要意义。

在本研究中,以不同切缝角度下坚硬顶板砂岩的真三轴循环加卸载试验为基础,通过一种基于物质点法和应变软化模型的数值模拟工具,建立不同切缝角度下的砂岩平面循环加卸载模型,并将计算结果与相应的实验进行对比,验证了该工具的可靠性。 该工具可实现没有人为干扰的真实物理裂缝的生成,而非理论算法等效替代。 基于该工具,开展了不同围压和不同切缝角度下的砂岩循环加卸载数值模拟,从裂缝、应力场和能量的角度揭示了裂隙砂岩循环加卸载损伤演化特性,为工程应用提供理论支持。

二、模型与验证

2.1 几何模型与加载方式

本次数值模拟参考室内试验,在研究平面应力应变问题时,简化为上下加载板对中间砂岩进行挤压的二维模型。 其中下加载板进行了固定,上加载板可上下移动,并在砂岩两端加上围压。 在加载方式上,围压 σ3 取 4 个恒定值,分别为 7. 24 MPa、12. 24 MPa、17. 24 MPa 和 22. 24 MPa。 σ1 的应力施加方案与室内试验完全相同。 裂隙砂岩循环加卸载模型如图 5 所示( 以 30°为例) 。 模型建立后,将整个几何模型离散成物质点后进行循环加卸载的损伤过程计算。 模型共包含 153 120 个物质点,砂岩模型力学参数见表 1。

2.2 模型验证

通过已验证的数值模拟工具,开展了不同切缝角度和不同围压条件的循环加载模拟,共进行了16 个算例,计算工况如表 2 所示

三、结果与讨论

3.1 裂缝拓展偏转角

岩体的失稳破坏大多是由内部裂隙的起裂拓展并贯通所造成的。 原生裂隙的起裂标志着岩体破裂的开始,是影响岩体强度和工程稳定性的重要因素。 通过物理试验和数值模拟可知,砂岩破坏时宏观裂缝会从预制裂缝两端起裂并拓展,最终形状呈反翼型。 如图 7 所示,以裂缝起裂点为坐标原点建立坐标系,其中 θ 为切缝角度,α 为裂缝拓展偏转角。 图 8 展示了不同切缝角度下数值模拟和物理试验 的宏观裂缝拓展偏转角变化规律。 由图可知,数值模拟与物理试验的宏观裂缝拓展偏转角具有较高的一致性,宏观裂缝拓展偏转角会随着切缝角度的增加而增加。

3.2应力场 裂缝演化特性

在围压 σ3 = 12. 24 MPa 的条件下,使用该数值模拟工具模拟切缝角度为 0°时的砂岩循环加卸载损伤演化过程,提取各阶段的岩石应力分布和裂缝扩展形态,结果如图 9 和图 10 所示。 通过砂岩的裂缝形态和应力分布可定义该过程的 4 个阶段:弹性阶段、裂缝萌生、裂缝发育和二次接触阶段,依次编号为 a、b、c、d,相同编号的结果处于同一阶段。从图 9 和图 10 中可以看出,在加卸载初期,试样处于弹性阶段,裂缝两端出现对称性的应力集中区域。 随着加卸载的进行,应力集中区域逐渐向岩石边缘和对角延伸,裂缝的延伸方向在应力集中区域上,此时切缝周围还出现了拉伸裂缝。 裂缝贯通后出现了裂缝的二次接触,试样的中间区域出现了应力集中,出现了更多与主裂缝延伸方向相反的拉伸裂缝。

应力-应变曲线呈现四阶段特征：切缝角度为 30°时,不同阶段的应力场和裂缝拓展形态如图 11 和图 12 所示。 试样的应力集中区域与裂缝拓展方式与 0°试样基本相同。 但在二次接触时,30°试样的应力集中区域面积更大且具有更少的拉伸裂缝。切缝角度为 60°时,不同阶段的应力场和裂缝拓展形态如图 13 和图 14 所示。 试样的应力集中区域与裂缝拓展方式与 0° 和 30° 试样基本一致。但在二次接触时,60° 试样具有更少的拉伸裂缝且应力集中区域面积明显高于 0°试样。

六、结论

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