高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式

岑夺丰,黄 达,2

(1.重庆大学土木工程学院,重庆 400045;2.重庆大学教育部山地城市建设与新技术重点实验室,重庆 400045)

高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式

岑夺丰1,黄 达1,2

(1.重庆大学土木工程学院,重庆 400045;2.重庆大学教育部山地城市建设与新技术重点实验室,重庆 400045)

为了研究动态荷载作用下岩体裂隙扩展机制,通过细观颗粒平行黏结模型(PBM)的模拟,分析了高应变率单轴压缩条件下单裂隙岩样的损伤演化及细观位移场。高应变率大小对岩样最终破裂形态影响不大,但随应变率的增大,细观裂纹越多且局部化程度越强。随着裂隙倾角的增大,裂纹分叉交织越密,并在裂隙倾角≤45°和≥60°范围内分别具有相似的破裂形态。裂隙尖端翼裂纹是倾斜裂隙面相对滑移致使尖端撕裂的结果,高应变率下翼裂纹在峰后不再扩展。应变率越小,裂隙倾角越小,翼裂纹扩展的长度越长。定义了3类细观颗粒间的位移模式及其所形成的3类裂纹性质。将裂纹扩展概括为6种基本模式:翼裂纹+张拉、顺翼裂纹、反翼复合裂纹+张拉、顺翼复合裂纹+张拉、共面复合裂纹和倾斜复合裂纹,其中复合裂纹为拉剪裂纹或压剪裂纹。

裂隙岩体;高应变率;裂纹扩展;细观力学;平行黏结模型(PBM)

Key words:jointed rock mass;high strain rate;crack propagation;mesoscopic mechanics;parallel bond model(PBM)

处于单轴压缩的采空区预留矿柱,除了承受顶板覆岩的重力外,还受冲击地压、机械振动、爆破等高应变率动态荷载作用,造成较多矿柱在高应变率单轴压缩条件下灾变失稳[1－2]。岩体裂隙的扩展演化及多尺度地质力学机理一直是岩石力学领域的重要科学问题之一[2－7]。裂隙岩体的试验研究至今仍主要采用相似材料物理模型试验和数值模拟研究[5－10],近年来也有少数国外学者采用高压水射流切割技术在真实岩石材料内部预制裂隙[2－4]。较多学者开展了中低应变率压缩下非贯通裂隙岩体的裂隙扩展演化的物理模型试验研究[8－9],部分开展了预制相似材料裂隙岩体SHPB冲击试验[10]。但总体来说,高应变率加载条件下岩石力学研究,目前仍主要为完整岩石的SHPB冲击试验研究[11－13]。

颗粒流程序(particle flow code,PFC)[14]是以牛顿第二定律及力－位移的物理理论为基础,用来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用的离散元方法。PFC避免了设定材料宏观本构的经验主观行为,通过简单的颗粒接触黏结机制从细观尺度仿真岩石矿物颗粒及其间的黏结与摩擦来实现宏观材料的组构,反映了颗粒黏结性材料结构的本质属性。国际岩石力学界普遍认同其在模拟岩石等脆性材料的裂纹萌生、扩展、贯通和破坏方面具有较好的细观结构优势[2,5,6,15]。Lee H[2]和Zhang X P等[5]采用平行黏结模型(parallel bond model,PBM)分别模拟了单轴压缩下Hwangdeung花岗岩和石膏的非贯通裂隙扩展,模拟结果不仅与室内试验裂隙扩展形态非常吻合,而且模拟的裂隙岩体强度、裂纹萌生及贯通应力均与试验测试基本一致。

客观地说,相似材料物理模型试验很难真实地反映岩石材料内部矿物颗粒大小及黏结关系。本文基于反映岩石细观矿物颗粒间变形损伤的平行黏结模型(PBM),开展高应变速率条件下非贯通内置单裂隙花岗岩的单轴压缩数值试验研究。从裂隙岩体的细观损伤演化和细观颗粒位移场的角度,揭示高应变速率单轴压缩条件下岩体裂隙损伤演化及其裂纹扩展的细观位移模式。

1 平行黏结模型(PBM)

岩石材料的宏观破裂是外界应力等因素下细观矿物颗粒运动及其黏结破坏的物理化学响应。Potyondy D O和Cundall P A提出的细观颗粒黏结模型(bonded－particle model,BPM)[16]是一种专门适用于岩石类材料的黏结模型。PFC中颗粒黏结模型有接触黏结模型(contact bond model,CBM)和平行黏结模型(PBM)两类[14]。接触黏结模型(CBM)将颗粒间假定为具有法向和切向刚度的弹簧或者点状胶黏剂黏结。CBM两颗粒间具有抗拉伸和剪切的效应,但不能抵抗旋转,而当黏结破坏后颗粒接触刚度仍发挥作用。平行黏结模型(PBM)更加近似地仿真了两颗粒间的胶结,除抵抗拉伸和剪切外,还能抵抗颗粒旋转或剪切引起的力矩,如图1所示。PBM刚度包括颗粒接触刚度和黏结刚度两部分,一旦黏结发生拉伸或剪切破坏,黏结刚度便立即失效,而颗粒接触刚度仍然发挥作用。

图1 平行黏结模型示意[5]Fig.1 Sketch of parallel bond model[5]

PBM中,颗粒接触和颗粒平行黏结可分别等效为以颗粒A,B圆心为端点的弹性梁(图2,梁长L为两颗粒半径RA,RB之和,即L=RA+RB;t为梁厚,取1;为平行黏结半径)。颗粒接触等效梁法、切向刚度kn,ks和弹性模量Ec以及平行黏结等效梁法、切向刚度和弹性模量的计算式为

平行黏结弹性梁的拉应力σb和剪应力τb应分别控制在平行黏结法向强度σb,m和平行黏结切向强度τb,m以内(弹性梁压应力不受限制,即不会发生压破坏),即

图2 平行黏结颗粒系统的等效弹性梁模型Fig.2 Equivalent elastic beam model of parallel bond particle system

一旦拉应力或剪应力超过式(5)范围,平行黏结即发生破坏,其中拉应力也可以是由两颗粒相互旋转引起,平行黏结断裂机制如图1所示。

2 PBM模拟试验方案及细观参数标定

2.1 试验方案

试件为宽50 mm,高50 mm的内置单裂隙数值试样。将各试件预制裂隙位置处的颗粒删除,形成相同尺寸但不同倾角的裂隙,裂隙中心与模型几何中心重合,长15 mm(略小于岩样宽度的1/3[2],符合圣维兰原理),倾角考虑0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°共7种情况。图3(a)为裂隙倾角45°的数值计算几何模型;图3(b)为用于细观参数标定的数值试件,尺寸为宽39.1 mm,高20 mm。

图3 裂隙岩体及参数标定数值试验试件Fig.3 Simulated specimens of fissure rocks and parameter calibration

应变率可通过控制加压板的运动速率进行设定,加压板表面光滑,即只对试件轴向约束而对试件端部表面无切向摩擦约束。裂隙岩体试验高加载应变率为18.25,55.16,92.07及115.39 s－1四个等级,且从始至终采用预定的恒定速率进行施压。

2.2 细观参数标定

岩石的宏观力学性质是由其细微观材料结构属性所决定,宏细观参数间必然存在较强的相关性[17],据此不断调整细观参数和试算模型,使各级加载应变率下数值与室内试验(SHPB试验)的宏观响应(如应力应变曲线、破坏形态等)均相匹配来确定一组较可靠的细观参数。虽然一种宏观响应可以由稍有差异的不同细观参数组合得到,但每一组细观参数均有特定的宏观响应与之对应,因此,模型调试的过程就是不断改变细观参数来逼近真实岩石力学性质的过程,直到认为所关心的内容满意为止。文献[2,5]均为采用颗粒删除的方法预制裂隙,但在细观参数标定时,仅通过完整岩石试件的宏观参数匹配进行标定。表明通过删除细观颗粒而形成的预制裂隙岩体,其材料力学性质是由岩石微细观材料性质和裂隙几何形态完全确定,无需再对裂隙试件进行相应细观参数标定。故本文采用完整岩样进行数值试件的细观参数标定。

数值试验的裂隙岩体试件高度比用于细观参数标定试件(为SHPB试验试件尺寸)高2.5倍,故按照外部荷载作用速率(加压板运动速率,即位移控制)来计算应变率时,参数标定试件与裂隙岩体试件相当的加载应变率应分别为45.63,137.91,230.17, 288.47 s－1。

图4(a)为三峡花岗岩静态及4种高应变率下SHPB单轴冲击试验的应力－应变曲线[11]。通过PBM模拟得到了一组同时匹配静态及4种高应变速率下宏观响应的细观参数,见表1,模拟的应力－应变曲线如图4(b)所示,与室内试验曲线较接近。图5为数值试件裂纹分布(深色点为细观拉裂纹,浅色点为细观剪切裂纹),也与室内花岗岩破坏形式基本一致。可见,本文所取细观参数的可靠性较高。

图4 花岗岩室内SHPB试验和PBM模拟曲线Fig.4 Stress-strain curves of laboratory SHPB test and simulation using parallel bond model for granite

表1 花岗岩PBM模拟的细观参数Table 1 Meso-parameters of parallel bond model for granite

图5 花岗岩SHPB试验和PBM模拟破坏形态Fig.5 Failure patterns of laboratory SHPB test and simulation using parallel bond model for granite

需说明的是:本文的加载方式并不完全仿真室内SHPB试验的冲击动力加载,而是借助其标定一组相对可靠的具有高应变率加载力学响应的岩石细观参数。进而在此基础上,研究该类裂隙岩样在高应变率(恒应变率)下的裂纹扩展。故为方便问题处理,本文在细观参数标定时,采用二维完整岩石数值试件,通过恒定高应变率压缩下试样力学响应来匹配室内SHPB试验冲击压缩响应,从而开展本文所关心内容——高应变率条件下裂隙岩体细观损伤破裂及细观位移模式研究。另外,在后续研究裂隙岩样时试件太矮将会出现很明显的尺寸效应(裂隙尖端距离试件两端面太近),同时考虑到使岩样在高应变率下受力相对均匀,故裂隙岩样采用宽50 mm×高50 mm的方形试样。

3 岩样细观损伤形态

图6为高应变率18.25 s－1和115.39 s－1加载下各倾角裂隙岩体试件峰值点及峰后0.8σc时的细观裂纹分布,这些细观裂纹在空间的组合形态显示了岩石宏观损伤及裂纹扩展形态,其中图6(a)为常规静态单轴压缩下峰后0.8σc时的细观裂纹分布。图中S表示静态加载,D1表示高应变率为18.25 s－1的动态加载,D4表示高应变率为115.39 s－1的动态加载,1表示峰值点,2表示峰后0.8σc,如代号D1－1表示高应变率18.25 s－1加载下峰值点时的细观裂纹分布。

图6 岩样细观损伤及裂纹扩展形态Fig.6 Patterns of meso-damage and crack propagation of tested specimens

由图6可知:

(1)细观损伤的一般规律。

微裂纹的数量及分布表明:随着应变率的增加,峰值点时岩体损伤程度略有增强,峰后损伤程度却有明显增强。故高应变率主要是导致岩体峰后破碎程度更高。与静态加载岩体相比,除裂隙宏观扩展路径区别外,岩体的其它部位微裂缝损伤程度高的多,而且普遍为裂隙倾角越大,加载速率越快,微裂损伤面积越大。

(2)峰值点裂纹分布。

高应变率的大小对岩样峰值点裂纹扩展及分布形态影响不明显,但应变率越高损伤程度越高(微裂纹越多)。当预制裂隙倾角为15°～60°时,裂隙尖端主要以翼裂纹扩展;当裂隙倾角为75°和90°时,预制裂隙处发育更多类型的裂纹。翼裂纹起裂角随应变率增加变化不大,但随着预制裂隙倾角的增加而明显减小。与静态加载下的翼裂纹长度相比,高应变速率下翼裂纹的长度大大减短,且随应变率和裂隙倾角的增大而逐渐减短。

(3)峰后0.8σc裂纹分布。

由于高的加载速率,试件在峰后仍承受一定的压缩作用。峰后翼裂纹与峰值点翼裂纹相比,并未再增长,甚至最终并不扩展至加载应力方向;而峰后主要表现为其他裂纹的持续扩展及局部化贯通,并最终导致岩体破碎;可见高应变率下岩样主要通过多种类型裂纹和大面积损伤来释放急速积蓄的应变能而使翼裂纹扩展受到抑制,致使其难以服从Griffith准则转向轴向压缩方向。从微裂缝的贯通数量来分析,静态压缩下峰后岩样仅形成数个较大碎岩块,但高应变率下岩样可破碎为较多(细)小碎片。高应变率单轴压缩条件下:当裂隙倾角≤45°时,主要在岩样两侧区域形成大面积损伤破裂,岩样整体大致呈“蝶状”破坏;当裂隙倾角为60°～90°时,整个岩样均有大量损伤破裂;表明岩体最终破裂模式在一定倾角范围内具有较强的相似性,且陡倾裂隙岩体的破碎程度较为强烈。

4 裂纹扩展的细观位移

4.1 黏结破坏与细观颗粒位移模式

新生裂纹的形成是因为细观颗粒的相对运动而导致颗粒间黏结受力破坏。通过细观颗粒的位移场分析可以深入解释裂纹的扩展及其性质。根据运动物理学的一般规律并结合本次模拟观察结果,两颗粒相对位移可归纳为如图7所示的3种类型的颗粒间黏结破坏及其对应的细观颗粒位移模式(图中直线长度示意颗粒位移的大小,箭头示意运动方向,实线为颗粒总位移矢量,虚线为颗粒位移的分矢量)。

图7 两细观颗粒间位移模式与黏结破坏Fig.7 Modes of displacement and bond breakage among two meso-particles

(1)T型位移模式(图7(a)),致使颗粒间黏结拉破坏的位移模式,形成微拉裂纹,组成宏观张拉裂纹。颗粒切向方向位移分量为0或存在同向且相对位移很小甚至为0的切向位移分量(不致先发生剪破坏),而颗粒法向方向存在反向或不等的同向位移分量。

(2)S型位移模式(图7(b)),致使颗粒间黏结剪切破坏的位移模式,形成剪切微裂纹,组成宏观纯剪切裂纹。颗粒切向方向存在反向或同向不等的位移分量,但在其法向方向位移分量为0或为同向且相对位移几乎为0。

(3)X型位移模式(图7(c)),颗粒切向和法向均存在同向不等位移分量或反向位移分量,致使颗粒间黏结拉或剪破坏的位移模式。可导致某区域的大量颗粒间即有剪切又有拉破坏,在宏观上表现为具复合性质的裂纹,具体可形成宏观拉剪裂纹或压剪裂纹。

某区域大量颗粒间如果为上述3类某种位移模式,则所组成的相应位移环境称为位移场,如T型位移场即区域内颗粒间位移模式均为T型。

4.2 裂纹扩展细观位移场及力学性质判识

通过分析裂纹两侧细观颗粒的相对位移模式,可阐述裂隙扩展所形成的新生裂纹的形变原因及力学性质。

由第3节及图6可知:高应变率的大小对岩体裂纹扩展模式及峰后最终破裂模式影响较小,故仅以应变率18.25 s－1时不同倾角裂隙岩体的峰前初始裂纹形成(起裂)及峰值处裂纹状态对比来阐述其细观位移机制。图8为裂纹扩展的细观颗粒位移场及力学性质判识(I为初始起裂时的细观位移场,II为峰值强度处细观位移场,W指翼裂纹)。

图8 细观颗粒位移场及扩展裂纹力学性质判识Fig.8 Displacement field among meso-particles and recognition for mechanical properties of cracks

由图8可知:

(1)裂隙倾角0°(图8(a))。

初始起裂:在T型位移场驱动下,在裂隙中部某一位置形成张性拉裂纹1。颗粒位移场按预制裂隙呈现明显的对称性,这是对称性岩样(预制裂隙水平)在上下对称荷载作用下的特有现象,类似现象在预制裂隙倾角为90°时也可发现(图8(g))。

次生裂纹(峰值破坏前形成的相对初始裂纹的新增裂纹):在T型位移场驱动下,张性拉裂纹2从裂隙左端及下表面右侧生成并沿加载应力方向扩展;在X型位移场驱动下,复合裂纹3从裂隙左端向左上方向扩展;裂纹4从裂隙右端向右下方向扩展至一定长度后转向加载应力方向延伸,其中前段为X型位移场驱动下的复合裂纹,后段为T型位移场驱动下的拉裂纹。

(2)裂隙倾角15°(图8(b))。

初始起裂:在T型位移模式驱动下,在两裂隙尖端附近形成初始张性翼裂纹1。

次生裂纹:在X型位移场驱动下,复合裂纹2从裂隙左端向上和向下生长,并从右端向上生长;裂纹3从裂隙右端向右下方向扩展至一定长度后转向加载应力方向延伸,其中前段为X型位移场驱动下的复合裂纹,后段为T型位移场驱动下的拉裂纹。

(3)裂隙倾角30°(图8(c))。

初始起裂:在T型位移场驱动下,在两裂隙尖端形成初始张性翼裂纹1。

次生裂纹:裂纹2从裂隙左端向下生长,为X型位移场驱动下的复合裂纹;裂纹3从裂隙右端向右上方向扩展至一定长度后转向加载应力方向延伸,其中前段为X型位移场驱动下的复合裂纹,后段为T型位移场驱动下的拉裂纹;裂纹4从裂隙右端向右下方向扩展至一定长度后转向加载应力方向延伸,其中前段为S型位移场驱动下的剪裂纹,后段为T型位移场驱动下的拉裂纹。

(4)裂隙倾角45°(图8(d))。

初始起裂:在T型位移场驱动下,在两裂隙尖端形成初始张性翼裂纹1。

次生裂纹:裂纹2从裂隙两端大致沿裂隙长度方向向外生长,为X型位移场驱动下的共面复合裂纹;裂纹3由X型位移场驱动向下,从裂隙左端复合扩展至一定长度后转为由T型位移场驱动的张裂扩展。

(5)裂隙倾角60°(图8(e))。

同时生成两类初始裂纹:裂纹1从裂隙左端生成,为T型位移场驱动下的张性翼裂纹;裂纹2从裂隙右端沿长度方向向外扩展一定长度后转向加载应力方向向上延伸,其中前段为X型位移场驱动下的复合裂纹,后段为T型位移场驱动下的张性裂纹。

次生裂纹:裂纹3从裂隙左端向上和向下扩展,为X型位移场驱动下的复合裂纹。

(6)裂隙倾角为75°(图8(f))。

初始起裂:在X型位移场驱动下,在裂隙左端生成一条短小复合裂纹1。

次生裂纹:裂纹1转向上扩展,并发育为一条X型位移场驱动下的复合裂纹2和一条T型位移场驱动下的拉裂纹3,在T型位移场驱动下裂纹1转向下扩展发育为一短小的拉裂纹4。并在裂隙右侧附近伴生一条X型位移场驱动下的复合裂纹5。

(7)裂隙倾角90°(图8(g))。

初始起裂:在X型位移场驱动下,在裂隙上端和右侧中部各生成一条复合裂纹1,以及在裂隙左侧近端部位置生成向下扩展的T型位移场驱动的拉裂纹2。

次生裂纹:裂纹2周围的位移转变为X型,并向左下方扩展形成复合裂纹3。

4.3 裂隙扩展细观模式

(1)初始翼裂纹的细观滑移撕裂机制。

从图8的颗粒细观位移场可知(结合位移趋势的虚线箭头):当裂隙倾角为15°～75°时,预制裂隙上部区域颗粒与下部区域颗粒大致呈相反的方向移动,也即裂隙的上下面相对滑移,进而导致裂隙尖端撕开,从而形成近最大主应力方向的初始翼裂纹(从断裂力学角度为I型张裂纹),其发育细观位移机制如图9所示。

图9 翼裂纹形成的细观位移机制Fig.9 Meso-displacement mechanism of formation of wing cracks

当裂隙倾角为0°和90°时,整个区域内颗粒大致以纵轴为分界各自向两侧近对称运动,其中裂隙倾角为0°时形成初始张裂纹,90°时形成多条复合裂纹。可见I型翼裂纹的起裂主要是因倾斜裂隙上下面的相对滑移而致使尖端撕裂所致。

(2)裂隙扩展模式。

从4.2节裂纹扩展的细观位移场及力学性质分析可知:高应变率单轴压缩条件下裂隙岩体扩展过程存在多种裂纹扩展模式的耦合,将这些模式分离出来,可概括为6种基本模式如图10所示。图中字母既代表裂纹力学性质又代表其形成的位移驱动机制: T为T型位移场下产生的拉裂纹;W为细观颗粒滑移撕裂产生的翼裂纹(其扩展受T型位移场驱动);S为S型位移场下产生的剪切裂纹;X为X型位移场下产生的复合裂纹(拉剪裂纹或压剪裂纹)。

模式a,翼裂纹+张拉(图10(a)):在裂隙尖端产生翼裂纹,并在裂隙中部附近出现张拉裂纹。严格来说,此处翼裂纹和张拉裂纹的形成机制一样,但发育

图10 裂隙扩展基本模式Fig.10 Basic modes of crack propagation

位置不同,故分开以示区别。模式a在裂隙角为0°时可观察到。

模式b,顺翼裂纹(图10(b)):在裂隙尖端生成并向最大主应力方向扩展。模式b在裂隙倾角为15°～60°时均可观察到。

模式c,反翼复合裂纹+张拉(图10(c)):从裂隙尖端生成反翼方向扩展的复合裂纹或剪切裂纹(实线段),继而转向最大主应力方向继续扩展(虚线段),从而形成先复合裂纹扩展后不规则地张拉扩展的组合裂纹。模式c在裂隙倾角0°,15°,30°,60°和75°的裂隙某端可发现。

模式d,顺翼复合裂纹+张拉(图10(d)):与模式c相似,只是裂纹扩展方向相反,为顺翼向扩展,在裂隙倾角15°,30°,45°,60°的裂隙某端或两端可观察到。

模式e,共面复合裂纹(图10(e)):从裂隙尖端沿裂隙长度方向向外扩展的共面复合裂纹。在裂隙倾角为45°的裂隙两端均可观察到。

模式f,倾斜复合裂纹(图10(f)):斜向上或斜向下的复合扩展,在裂隙两侧某位置处或裂隙尖端处均可生成。在裂隙倾角90°时可观察到。

图11为静态单轴压缩下岩样内置单裂隙常见扩展模式(图11(a)中两类次生裂纹一般被认为是剪性裂纹,图11(b)中S表示剪切裂纹,T表示张拉裂纹)。图11(a)中所有裂纹扩展模式在本文静态加载下(图6(a))和高应变率加载下均可观察到,而高应变率加载与静态加载不同的是:除第3节所述翼裂纹长度明显减短(图6)外,本文部分次生裂纹由前半段复合裂纹转为后半段张性裂纹,对于这种由两类裂纹先后组合形成的裂纹在Wong L N Y和Einstein H H[19]的物理试验中也有类似的发现(图11(b),与本文模式d较相似)。

图11 静态单轴压缩下裂隙扩展模式Fig.11 Modes of cracks propagation under static uniaxial compression

5 结 论

(1)随着应变率的提高,岩样峰值点裂纹扩展和分布形态以及峰后最终破裂模式差异不大,但峰后细观损伤裂纹越多且局部化程度越强,故其剧烈破坏主要发生在峰后。随着裂隙倾角的增大,细观裂纹分叉交织越密,并在倾角≤45°和倾角≥60°范围内分别具有相似的破裂形态。

(2)高应变率下裂隙岩体发育多种类型的裂纹,其中裂隙尖端I型翼裂纹在峰前已完全扩展。翼裂纹起裂是因倾斜裂隙的上下面相对滑移而致使尖端撕裂。翼裂纹扩展长度与应变率和裂隙倾角具有较强的相关性:应变率越小、裂隙倾角越小,则翼裂纹扩展的长度越长。

(3)新生裂纹的形成及其性质是岩体细观颗粒相对运动的结果,据此定义了3类细观颗粒间的位移模式(T型、S型、X型)及其所形成的3类裂纹性质(拉裂纹、剪裂纹、复合裂纹(拉剪或压剪)),阐述了各倾角裂隙岩体裂纹扩展演化的细观位移场及裂纹张剪力学性质。将扩展裂纹归纳成6种基本模式:翼裂纹+张拉、顺翼裂纹、反翼复合裂纹+张拉、顺翼复合裂纹+张拉、共面复合裂纹和倾斜复合裂纹。

(4)高应变率下翼裂纹扩展受到抑制而长度明显减短,主要通过其他类型裂纹和大面积损伤来释放急速积蓄的应变能。静态压缩下峰后岩样仅形成数个较大碎岩块,但高应变率下岩样可破碎为较多(细)小碎片。高应变率下部分次生裂纹由前半段复合裂纹转为后半段张性裂纹。

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Mesoscopic displacement modes of crack propagation of rock mass under uniaxial compression with high strain rate

CEN Duo-feng1,HUANG Da1,2
(1.College of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

In order to study crack propagation mechanism of rock mass under dynamic loading,the meso-damage evolution and displacement field of single fissure rock specimens under uniaxial compression with high strain rate were investigated using a parallel bond model(PBM)of meso-particle.The strain rate dependency of failure patterns of tested specimens relatively less than inclination of fissure.More meso-cracks and stronger damage localization are presented in the specimen with strain rate and fissure inclination increasing.And similar failure patterns are founded when fissure inclination≤45°or≥60°.Relative slide of the two sides of inclined fissure is prone to tear its tip and then generate wing cracks.The wing cracks usually stop propagation after peak strength.They are longer with smaller strain rate and inclination of fissure.Three displacement modes and its corresponding cracks properties between meso-particles are provided.Six basic propagation modes for cracks are summarized:wing cracks and extension,consequent wing cracks, composite cracks at reverse wing and extension,composite cracks at consequent wing and extension,coplanar composite cracks,and inclined composite cracks,where composite cracks are extensile-shear cracks or compressive-shear cracks.

TD313;TU45

A

0253－9993(2014)03－0436－09

岑夺丰,黄 达.高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式[J].煤炭学报,2014,39(3):436－444.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0333

Cen Duofeng,Huang Da.Mesoscopic displacement modes of crack propagation of rock mass under uniaxial compression with high strain rate[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):436－444.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0333

2013－03－20 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金面上资助项目(41172243);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(40902078);中央高校基本科研业务费重点资助项目(CDJZR12205501)

岑夺丰(1987—),男,浙江慈溪人,博士研究生。E－mail:cdfschool@126.com。通讯作者:黄 达(1976—),男,湖南衡阳人,副教授,博士生导师,博士。Tel:023－65127589,E－mail:dahuang@cqu.edu.cn