黎崇金等：含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 ·1799· 化过程，图中黑色和红色分别表示压力和拉力，线段的 孔洞周边裂纹的萌生与扩展伴随着应力集中区的释 粗细表示黏结力的大小，线段的方向表示黏结力的方 放与转移. 向，蓝色和绿色分别表示张拉型微裂纹和剪切型微裂 为研究围压对裂纹起裂的影响，表4给出了不同 纹.从图中可以看出，在裂纹扩展过程中，颗粒间的平 围压条件下，裂纹起裂前孔洞周边的平行黏结力分布 行黏结力也在不断演化.单轴压缩条件下，孔洞的上 可以看出，随着围压的增加，孔洞上下边缘的拉应力集 下端出现了拉应力集中，孔洞的左右侧出现了压应力 中区不断变小，围压超过5MPa以后，拉应力集中区已 集中：对于圆形孔洞，压应力主要集中在孔洞左右两 不再明显，所以在较高围压条件下，孔洞上下边缘不再 侧，而矩形孔洞和马蹄形孔洞的压应力集中区在孔洞 出现拉伸裂纹.孔洞左右两侧都有明显的压应力集中 周边转角处更明显.由于岩石类脆性材料的抗拉强 区，但对于矩形孔洞和马蹄形孔洞，孔洞周边转角处的 度显著低于抗压强度，所以微裂纹首先在孔洞上下 压应力集中更明显，且围压越大，压应力集中现象越明 端出现，随后剪切裂纹开始从压应力集中区萌生.可 显：外荷载作用下，压应力集中区极易产生破坏.所 以发现，孔洞周边的微裂纹萌生后，该区域的应力集 以，低围压条件下，裂纹起裂于孔洞上下边缘的拉应力 中就会被释放，进而转移到新生裂纹的尖端区域，在 集中区：而高围压条件下，裂纹起裂于孔洞周边的压应 转移过程中不断萌生新的微裂纹，微裂纹的萌生、搭 力集中区，即圆孔试样起裂于孔洞左右两侧，矩形孔和 接过程在宏观上表现为宏观裂纹的动态扩展.所以， 马蹄形孔试样起裂于孔洞周边转角处 表4不同围压条件下裂纹起裂前孔洞周边的平行黏结力分布 Table 4 Parallel bond force distributions around the hole just before the first erack initiation under different confining pressures 孔洞形状 0,=0 MPa 0,=2.5 MPa 0,=5 MPa 0,=7.5 MPa 0,=10 MPa 矩形 马蹄形 2.4.2位移场分析 孔洞左右两侧.压应力作用下，孔洞左右边缘的颗粒 首先以单轴压缩条件下的圆形孔洞试样为例，从 受到挤压而向孔内运动，随着压应力的增加，孔壁颗粒 颗粒位移矢量的角度分析试样的宏观裂纹模式。图9 的黏结断裂，颗粒脱离试样向孔内剥落 为单轴压缩条件下圆形孔洞试样破坏后颗粒的位移矢 (2)拉伸裂纹，如图9（©）所示，此类裂纹出现在孔 量分布，图中黑色箭头表示颗粒的位移方向，箭头长短 洞上下区域.荷载作用下，孔洞上下区域的颗粒向孔 表示位移量的大小.为更加形象地描述颗粒的运动， 洞方向运动，同时由于受到拉应力的作用而有相互背 在图中绘制了宏观裂纹两侧颗粒的运动趋势，用红色 离的趋势；当拉应力超过该处的抗拉强度时，岩石断裂 实线箭头表示，红色虚线箭头是沿宏观裂纹正向和切 并产生拉伸裂纹.此类裂纹一般不会贯通至试样外边 向的位移分量.从图中可以看出，单轴压缩条件下，圆 缘，所以试样破坏后，由于其他宏观裂纹的影响可能会 形孔洞试样的宏观裂纹主要有3种模式 闭合，如图9(a)中孔洞下边缘的拉伸裂纹已基本 (1)孔壁剥落，如图9(b)所示，此类裂纹出现在 闭合黎崇金等: 含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 化过程，图中黑色和红色分别表示压力和拉力，线段的 粗细表示黏结力的大小，线段的方向表示黏结力的方 向，蓝色和绿色分别表示张拉型微裂纹和剪切型微裂 纹． 从图中可以看出，在裂纹扩展过程中，颗粒间的平 行黏结力也在不断演化． 单轴压缩条件下，孔洞的上 下端出现了拉应力集中，孔洞的左右侧出现了压应力 集中; 对于圆形孔洞，压应力主要集中在孔洞左右两 侧，而矩形孔洞和马蹄形孔洞的压应力集中区在孔洞 周边转角处更明显． 由于岩石类脆性材料的抗拉强 度显著低于抗压强度，所以微裂纹首先在孔洞上下 端出现，随后剪切裂纹开始从压应力集中区萌生． 可 以发现，孔洞周边的微裂纹萌生后，该区域的应力集 中就会被释放，进而转移到新生裂纹的尖端区域，在 转移过程中不断萌生新的微裂纹，微裂纹的萌生、搭 接过程在宏观上表现为宏观裂纹的动态扩展． 所以， 孔洞周边裂纹的萌生与扩展伴随着应力集中区的释 放与转移． 为研究围压对裂纹起裂的影响，表 4 给出了不同 围压条件下，裂纹起裂前孔洞周边的平行黏结力分布． 可以看出，随着围压的增加，孔洞上下边缘的拉应力集 中区不断变小，围压超过 5 MPa 以后，拉应力集中区已 不再明显，所以在较高围压条件下，孔洞上下边缘不再 出现拉伸裂纹． 孔洞左右两侧都有明显的压应力集中 区，但对于矩形孔洞和马蹄形孔洞，孔洞周边转角处的 压应力集中更明显，且围压越大，压应力集中现象越明 显; 外荷载作用下，压应力集中区极易产生破坏． 所 以，低围压条件下，裂纹起裂于孔洞上下边缘的拉应力 集中区; 而高围压条件下，裂纹起裂于孔洞周边的压应 力集中区，即圆孔试样起裂于孔洞左右两侧，矩形孔和 马蹄形孔试样起裂于孔洞周边转角处． 表 4 不同围压条件下裂纹起裂前孔洞周边的平行黏结力分布 Table 4 Parallel bond force distributions around the hole just before the first crack initiation under different confining pressures 2. 4. 2 位移场分析 首先以单轴压缩条件下的圆形孔洞试样为例，从 颗粒位移矢量的角度分析试样的宏观裂纹模式． 图 9 为单轴压缩条件下圆形孔洞试样破坏后颗粒的位移矢 量分布，图中黑色箭头表示颗粒的位移方向，箭头长短 表示位移量的大小． 为更加形象地描述颗粒的运动， 在图中绘制了宏观裂纹两侧颗粒的运动趋势，用红色 实线箭头表示，红色虚线箭头是沿宏观裂纹正向和切 向的位移分量． 从图中可以看出，单轴压缩条件下，圆 形孔洞试样的宏观裂纹主要有 3 种模式． ( 1) 孔壁剥落，如图 9( b) 所示，此类裂纹出现在 孔洞左右两侧． 压应力作用下，孔洞左右边缘的颗粒 受到挤压而向孔内运动，随着压应力的增加，孔壁颗粒 的黏结断裂，颗粒脱离试样向孔内剥落． ( 2) 拉伸裂纹，如图 9( c) 所示，此类裂纹出现在孔 洞上下区域． 荷载作用下，孔洞上下区域的颗粒向孔 洞方向运动，同时由于受到拉应力的作用而有相互背 离的趋势; 当拉应力超过该处的抗拉强度时，岩石断裂 并产生拉伸裂纹． 此类裂纹一般不会贯通至试样外边 缘，所以试样破坏后，由于其他宏观裂纹的影响可能会 闭合，如 图 9 ( a) 中 孔 洞 下 边 缘 的 拉 伸 裂 纹 已 基 本 闭合． · 9971 ·