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創(chuàng) 新 點

（1）揭示裂隙角、填充和圍壓應(yīng)力對有缺陷的砂巖力學(xué)/破壞特性的影響；

（2）在 FEM-CZM 模擬中，通過全局嵌入零厚度內(nèi)聚單元構(gòu)建潛在斷裂面。

研究方案

1.樣品制備

樣品來源：取自中國山東臨沂采石場的均質(zhì)紅砂巖，平均體積密度 2.13g/cm3，P 波速度 4212m/s，粒度分布 0.1-0.25mm，主要礦物成分為石英（61.67%）、斜長石（19.38%）等。

樣品加工：將原巖加工成 140×70×30mm3 的矩形樣品，采用水射流切割技術(shù)制作人工孔（半徑 6mm）與裂隙（長 12mm、寬 1.5mm），孔中心與樣品幾何中心重合。

填充處理：以石膏模擬弱填充物，按粉水比 3:1 制備漿液，注入預(yù)制缺陷后，先在常溫下初步固化 24h，再置于 25℃、相對濕度 95% 的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d，固化后填充物單軸抗壓強(qiáng)度為 7.52MPa。

圖1.有缺陷的砂巖樣品信息：（a）原始位置;（b） 礦物成分;（c） 幾何構(gòu)型;（d） 最終制備的樣品。

2.試驗設(shè)置與方法

試驗設(shè)備：使用 JAW-600 伺服控制測試系統(tǒng)水平與法向加載子系統(tǒng)加載能力均為 0-600kN，速率范圍 0.01-100mm/min。

圖2.JAW-600伺服控制測試系統(tǒng)：（a）系統(tǒng)概述;（b）裝載系統(tǒng);（c）液壓裝載油缸;（d）液壓千斤頂;及 （e） LVDT

實驗分組：設(shè) 4 組實驗，探究裂隙角度、填充條件、圍壓的影響。

“U” 代表單軸壓縮、“B” 代表雙軸壓縮、“F” 代表填充樣品。

U 組與 FU 組裂隙角（α）為 0°、30°、60°、90°；B 組與 FB 組含恒定圍壓（σ?=1MPa）下不同裂隙角，及垂直裂隙（α=90°）下不同圍壓（σ?=1、2、3、4MPa）。

圖3.實驗設(shè)計：（a） 測試方案和 （b） 命名法和樣本編號

加載方式：

單軸壓縮以 0.1mm/min 恒定位移速率施加主應(yīng)力 σ?至樣品失穩(wěn)；

雙軸壓縮先以 100N/s 速率施加圍壓 σ?至預(yù)設(shè)值，穩(wěn)定后再以 0.1mm/min 速率施加軸向應(yīng)力 σ?至樣品完全破壞。

樣品兩端涂潤滑劑以減小端面摩擦。

圖4.加載程序：（a） 單軸壓縮和 （b） 雙軸壓縮

3.數(shù)值模擬

（1）本構(gòu)模型

固體單元：采用莫爾 - 庫侖準(zhǔn)則。

內(nèi)聚單元：采用雙線性牽引 - 分離定律定義本構(gòu)，分初始線彈性階段與損傷演化階段。

損傷起始采用基于牽引力的二次名義應(yīng)力準(zhǔn)則，損傷演化通過損傷變量 D 量化。

圖10.雙線性牽引-分離定律示意圖

（2）數(shù)值模型建立與參數(shù)標(biāo)定

模型建立：在 ABAQUS 中構(gòu)建三維模型，含缺陷巖體、填充物、剛性加載板，幾何尺寸與實驗一致，網(wǎng)格尺寸 1.5mm。

圖11.缺陷砂巖模型建立：（a）雙軸壓縮數(shù)值模型;（b）填充材料模型;（c）內(nèi)聚元件嵌入機(jī)制

參數(shù)標(biāo)定：先對紅砂巖圓柱樣品進(jìn)行單軸、三軸壓縮及巴西劈裂試驗獲取基礎(chǔ)參數(shù)（如表 2，單軸抗壓強(qiáng)度 23.20MPa 等），再用試錯法迭代調(diào)整細(xì)觀參數(shù)。

圖12.紅砂巖試樣力學(xué)參數(shù)的標(biāo)定過程。（有關(guān)此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本

研究成果

1.應(yīng)力-應(yīng)變曲線

曲線分四個階段：初始壓實階段（I）、線彈性變形階段（Ⅱ）、非線性硬化階段（Ⅲ）、峰后階段（IV）。

峰后階段樣品呈顯著脆性破壞特征，圍壓越高脆性越明顯；填充樣品峰前曲線更平滑，突發(fā)應(yīng)力降更少，峰后應(yīng)力下降速率更緩，塑性變形能力更強(qiáng)；高圍壓縮短初始壓實階段，加劇峰后脆性破壞。

圖5.缺陷砂巖樣品在不同裂隙角度（α）和圍壓應(yīng)力（σ2）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.強(qiáng)度與變形參數(shù)

峰值抗壓強(qiáng)度與彈性模量：與裂隙角、圍壓均呈正相關(guān)。石膏填充對單軸壓縮強(qiáng)度提升更顯著。

峰值軸向應(yīng)變：與圍壓呈負(fù)相關(guān)，與裂隙角無明顯相關(guān)性，填充會顯著降低峰值軸向應(yīng)變。

圖6.不同裂隙角度缺陷砂巖試樣的強(qiáng)度和變形參數(shù)

圖7.缺陷砂巖試樣在不同圍壓應(yīng)力下的強(qiáng)度和變形參數(shù)

3.最終破壞模式

識別出 10 種宏觀裂紋類型，包括 3 種拉伸裂紋（T-I、T-II、T-III）、2 種剪切裂紋（S-I、S-II）、遠(yuǎn)場裂紋（F）、表面剝落（SS）和孔塌陷（HC）。

隨裂隙角增大，破壞模式從拉伸裂紋主導(dǎo)轉(zhuǎn)為剪切裂紋主導(dǎo)；填充樣品孔塌陷（HC）裂紋大幅減少，裂紋更細(xì)且分散；雙軸壓縮下表面剝落（SS）裂紋更普遍。

圖8.每種裂紋類型的幾何構(gòu)型和特征

圖9.缺陷砂巖樣品的最終破壞模式

4. 數(shù)值模擬結(jié)論

（1）結(jié)果驗證

選取 α=60° 的缺陷砂巖樣品，在 4 種工況下對比模擬與實驗結(jié)果，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線線彈性階段接近、峰值強(qiáng)度相當(dāng)、峰后應(yīng)力下降趨勢一致，破壞模式中裂紋萌生位置、擴(kuò)展路徑相似，相對誤差 < 5%，驗證了模型可靠性。

圖13.α = 60°的缺陷砂巖樣品的數(shù)值模擬和實驗室測試結(jié)果對比

（2）von Mises應(yīng)力演化

初始壓縮階段（O 點）：雙軸壓縮下因圍壓，孔裂隙附近出現(xiàn)輕微應(yīng)力集中；

線彈性階段（A 點）：單軸壓縮應(yīng)力呈 X 形分布，雙軸壓縮呈條狀分布；

非線性硬化階段（B、C 點）：應(yīng)力集中加劇，微裂紋向表面擴(kuò)展；

峰后階段（D、E 點）：微裂紋聚合形成斷裂帶，應(yīng)力驟降，填充樣品應(yīng)力分布更均勻。

圖14.α = 60° 的缺陷砂巖模型的應(yīng)力演化

5. 內(nèi)聚單元損傷演化

內(nèi)聚單元未達(dá)損傷起始準(zhǔn)則，無破壞單元；隨軸向應(yīng)變增加，應(yīng)力集中處內(nèi)聚單元先失效，初始以拉伸破壞為主。

損傷起始位置：未填充模型在孔邊緣與裂隙尖端，填充模型在裂隙尖端與填充物內(nèi)，未填充模型損傷起始更早。

最終破壞：雙軸壓縮下失效內(nèi)聚單元數(shù)量與拉伸失效比例顯著高于單軸壓縮。

圖 15.α = 60°的缺陷砂巖模型內(nèi)聚單元的破壞特性

6.不同因素的影響機(jī)制

（1）裂隙角度的影響

隨裂隙角增大，拉應(yīng)力集中區(qū)域縮小，壓應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)大，位移梯度減?。涣鸭y萌生機(jī)理由拉應(yīng)力集中導(dǎo)致的拉伸破壞轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力集中導(dǎo)致的剪切破壞，裂紋萌生位置從孔邊緣→裂隙尖端→α=90° 時回到孔表面；

強(qiáng)度隨裂隙角增大而提升

圖 16.不同裂隙角度下缺陷砂巖模型的軸向應(yīng)力腦圖和軸向位移腦圖

圖 17.不同裂隙角度缺陷砂巖模型的裂縫萌生特征

圖 18.不同裂隙角度下極限破壞下缺陷砂巖模型中內(nèi)聚單元的破壞數(shù)量和破壞模式比例

（2）填充條件的影響

填充能顯著減弱缺陷區(qū)應(yīng)力集中，減小拉應(yīng)力集中區(qū)域范圍，降低最大應(yīng)力值，使位移分布更均勻；

圖 19.對比分析了未填充砂巖模型和填充砂巖模型之間的力學(xué)響應(yīng)和裂縫演化特征

圖20.未填充和填充缺陷砂巖模型中極限破壞時內(nèi)聚性單元的破壞數(shù)量和破壞模式比例比較

（3）圍壓的影響

圍壓增大使壓應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)大、拉應(yīng)力集中區(qū)域縮小，抑制孔裂隙處拉應(yīng)力集中；位移梯度減小，位移分布更均勻；

圍壓增大雖不改變裂紋萌生位置，但能有效抑制裂紋擴(kuò)展；

圍壓通過提升整體承載能力、增加巖基質(zhì)內(nèi)晶間摩擦力與內(nèi)聚力，使彈性模量與峰值強(qiáng)度提高，峰值軸向應(yīng)變降低。

圖 21.不同圍壓應(yīng)力下缺陷砂巖模型的力學(xué)響應(yīng)和斷裂演化特征的對比分析

圖 22.不同圍壓應(yīng)力下未填充砂巖模型中未填充砂巖模型中內(nèi)聚單元的破壞數(shù)量和破壞模式比例比較