十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.029

黄金科学技术 ›› 2020, Vol. 28 ›› Issue (4): 509-520.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.029

十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

贺桂成¹(),陈科旭^1,²,戴兵^1,²(),王程程¹

^1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421000
^2.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东烟台 261442

收稿日期:2020-01-02 修回日期:2020-05-21 出版日期:2020-08-31 发布日期:2020-08-27
通讯作者: 戴兵 E-mail:Hegc9210@163.com;daibingusc@usc.edu.cn
作者简介:贺桂成（1977-），男，湖南衡阳人，副教授，从事岩土工程灾害预测与控制方面的教学与科研工作。Hegc9210@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目“微生物胶结砂岩型地浸铀矿山隔水层的抗渗性能试验及机理研究”(51974163);湖南省教育厅重点科研基金“微波照射花岗岩型铀矿石热—力耦合作用机理及热裂断裂机制研究”(18A248)

Experimental Study and Numerical Simulation Analysis of Crack Propagation Characteristics of Crisscross Fracture

Guicheng HE¹(),Kexu CHEN^1,²,Bing DAI^1,²(),Chengcheng WANG¹

^1.School of Resource Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang 421000，Hunan，China
^2.Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co. ，Ltd. ，Yantai 261442，Shandong，China

Received:2020-01-02 Revised:2020-05-21 Online:2020-08-31 Published:2020-08-27
Contact: Bing DAI E-mail:Hegc9210@163.com;daibingusc@usc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

岩石内部微裂隙的起裂贯通破坏易引发边坡滑坡、隧道塌方和采场冒顶等工程事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了探究裂隙岩石中裂隙演化规律及破坏机理，根据相似理论，采用细沙、白水泥和水按一定比例制作含十字交叉裂隙的类岩石试样，利用RMT-150B岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验，并基于室内试验测试结果，建立了含预制十字交叉裂隙岩石试样的PFC数值模拟模型，分析含十字交叉裂隙试样的裂纹起裂、扩展和贯通的演化规律及其失稳破坏机理。研究结果表明：含十字交叉裂隙试样的峰值强度和弹性模量低于完整试样；数值模拟结果的峰值强度、弹性模量、起裂应力和裂隙倾角的变化关系与室内试验测试结果的变化关系基本吻合，即随着裂隙倾角的增大呈现先增大后减小的倒“V”形变化趋势；裂隙倾角为0°时微裂纹起裂于主次裂隙尖端，裂隙倾角为30°时裂纹起裂于主裂隙尖端，裂隙倾角为45°和60°时裂纹起裂于次裂隙尖端；微裂纹数量随应变增加经历了静止期、增加缓慢期、中期增加期和最活跃期4个阶段，且后一阶段增长率总是高于前一阶段；裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时试样的破坏模式均为对角剪切破坏。

关键词: 十字交叉裂隙, 类岩石材料, 数值模拟, 裂纹演化, 微裂纹数量, 剪切破坏

Abstract:

Defects in rocks make their physical properties anisotropic.When subjected to external force，the defect will crack，expand and even destroy.Therefore，it is very important to study its failure behavior to predict the instability of engineering structure.Previous studies are more concentrated on the evolution process of single fracture or non intersecting multi fracture，however，rock fracture often exists in the form of intersecting multi fracture in practical engineering.Based on RMT-150B，the cross fracture rock samples （150 mm×200 mm×45 mm） with different fracture inclination were prepared in the laboratory，and the uniaxial compression test was carried out with the displacement controlled loading mode of 0.01 mm/s.The results show that the peak strength and modulus of elasticity of the cross fracture specimen are lower than that of the intact specimen.The peak strength，modulus of elasticity and crack initiation stress increase first and then decrease with the increase of fracture inclination.In order to make up for the shortcomings of laboratory test technology in reflecting the macro and micro morphology of cross cracks，PFC^2D numerical simulation technology was used to calibrate the micro parameters of the numerical model by comparing the deformation and failure characteristics of the complete specimen.The results of numerical simulation show that the relationship between peak strength，modulus of elasticity，initial crack stress and crack inclination is basically consistent with the results of laboratory tests.From the process of crack evolution，it is observed that the inclination angle of 0° is the simultaneous cracking from the tip of the primary and secondary cracks，the inclination angle of 30° is the crack initiation from the tip of the primary crack，and the inclination angle of 45° and 60° are the cracks from the tip of the secondary crack.The number curves of microcracks are divided into four stages，namely quiescent period, slow increase period, mid-term increase period, and most active period，and the growth rate of the latter stage is always higher than that of the former stage，the change characteristics of cracks are different in different stages.It can be clearly seen from the displacement field that when the inclination angles are 0°，30° and 45°respectively，the specimen is the diagonal shear failure controlled by the secondary fracture.When the inclination angle is 60°，the specimen is mainly the shear failure controlled by the main fracture.

Key words: crisscross fracture, rock-like specimen, numerical simulation, fracture propagation, the number of microcracks, shear failure

中图分类号:

TU45

贺桂成, 陈科旭, 戴兵, 王程程. 十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 509-520.

Guicheng HE, Kexu CHEN, Bing DAI, Chengcheng WANG. Experimental Study and Numerical Simulation Analysis of Crack Propagation Characteristics of Crisscross Fracture[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(4): 509-520.

图/表 13

表1

图1

图2

图3

表2

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参考文献 25

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参数	数值	参数	数值
密度ρ/（kg·m^-3）	1 999	黏聚力C/MPa	3.98
抗压强度σ_c/MPa	23.6	泊松比ν	0.29
抗拉强度σ_t/MPa	3.44	内摩擦角ψ/（°）	36.2
弹性模量E/GPa	43.14

参数	取值	参数	取值
颗粒密度/（kg·m^-3）	1 999	颗粒摩擦因子	0.3
最小颗粒半径/mm	0.4	平行黏结拉伸应力/MPa	14±1
最大颗粒半径/mm	0.5	平行黏结黏聚力/MPa	8.5±0.5
颗粒刚度比	1.9	平行黏结拉伸摩擦角/（°）	36.2
平行黏结刚度比	1.9

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