岩石巴西圆盘复合型断裂力学特征及空间效应研究

摘要

对Ⅰ-Ⅱ型复合型断裂的力学特征进行研究,选用石膏岩制作单裂纹直切槽巴西圆盘作为室内试验的研究对象。采用位移伺服方式对巴西圆盘进行加载,并对荷载和位移进行监测。根据室内试验得出的峰值应力和复合型断裂力学相关理论,计算出对应的断裂韧度值。选用能模拟裂隙演化的离散元软件PFC3D对室内试验进行模拟,在加载方式上选用更为合理的点墙加载方式,以代替传统的墙体加载方式。根据不同加载角β直切槽巴西圆盘室内试验结果,对数值模拟试验的试件细观参数进行标定,分别从宏观和细观上分析直切槽巴西圆盘的力学特性,PFC3D数值试验破坏过程中展现出与巴西圆盘试验一致的细观特征。研究结果表明:当0°β75°时,断裂韧度差值K_Ⅰ-K_Ⅱ与加载角β呈线性关系;根据试验结果建立荷载峰值与加载角β的关系表达式,可预测不同加载角β下的荷载峰值;3维数值模拟分析结果显示裂隙尖端拉压临界角大于2维经典理论结果,误差范围在4%~7%之间,且拉压临界角具有显著的空间特征,由圆盘边面到跨中截面逐渐增加,增加幅度为0.7°;随着加载角β的增加,直切槽周围最大张拉应力点由尖端向圆盘中心偏移,且偏移量单调增加,全截面由受压逐渐转变为受拉;不同断裂形式的空间效应存在差异,Ⅱ型断裂的空间效应最小,巴西劈裂最显著。