32 工程科学学报，第44卷，第1期 25 (2)利用PFC中的热模块对模型赋予25、200、 400、600、800和1000℃等不同温度； 2.0 (3)将圆盘直径由50mm改为60、80和100mm .ns 5 的砂岩数值模型，将这些不同尺寸砂岩试样分别 进行上述6个温度下的砂岩巴西劈裂模拟，分析 1.0 其劈裂强度和劣化幅值，并分别监测加载至峰值 荷载的75%~100%以及峰后阶段的孔隙率和裂 Laboratory test 纹数量变化过程，分析两者滞后性规律 -Numerical simulation 0 25 200 400600 8001000 2模拟结果分析 Temperature/℃ 图8砂岩数值模拟结果与室内试验结果对比.(a)砂岩试样：(b)颗 根据上述模拟方案对不同尺寸的高温砂岩进 粒流模型 行巴西劈裂试验，共进行24组试验，根据试验结 Fig.8 Comparison of numerical simulation and laboratory test results of 果分别分析在高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩 sandstone with a diameter of 50 mm:(a)sandstone sample;(b)particle 劈裂强度变化规律、强度劣化幅值以及孔隙率增 flow model 加相对于裂隙逐渐扩展贯通的滞后性规律 劈裂特性.在室内试验研究的基础上，利用PFC2D 2.1高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩劈裂强度 建立圆盘直径为50mm的砂岩数值模型.具体模 分析 拟方案如下： 各砂岩试样的劈裂强度如表3所示.本节 (1)将表2所示的细观参数赋予数值模型，生 将分析温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂强度影响 成与岩石试件性质相近的砂岩模型： 规律 表3不同砂岩在巴西劈裂模拟下的劈裂强度 Table 3 Splitting strengths of different sandstone samples under Brazilian splitting simulations Sample number Temperature/C Diameter/mm Splitting strength/MPa Sample number Temperature/C Diameter/mm Splitting strength/MPa 1 50 2.239 13 600 50 2.190 2 子 60 2.015 14 600 母 2.013 3 夕 80 1.276 5 600 80 1223 4 25 100 0.963 16 600 100 1.004 200 50 2.364 17 800 分 2.145 6 200 60 2.151 18 800 母 1.798 > 200 80 1.371 19 800 80 1.174 8 200 100 1.040 20 800 100 0.862 9 400 50 2.320 21 1000 50 1.516 10 400 60 2.123 22 1000 1.275 11 400 80 1.361 23 1000 80 0.807 白 400 100 1.037 24 1000 100 0.673 基于模拟所得结果，利用Origin拟合所得砂岩 高，砂岩内部由于热应力作用逐渐产生损伤，导致 巴西劈裂强度与温度及尺寸的关系如图9所示 砂岩劈裂强度下降，这一结论与苏海健等和孙 从图9(a)可以看出，在高温和尺寸效应耦合作用 文进等对不同温度砂岩劈裂强度的试验结果规 下，随着温度升高以及砂岩尺寸增大，砂岩巴西劈 律一致，即验证了利用颗粒流程序对高温砂岩数 裂强度整体呈下降趋势，在温度达到400℃前劈 值模拟计算结果的可靠性：而随着砂岩尺寸增大， 裂强度略有上升.这是由于在400℃前砂岩内部 内部积聚的能量在达到峰值荷载前耗散，导致大 发生热膨胀，劈裂强度有所增大，随着温度继续升 量微裂隙产生，使岩石劈裂强度下降，这一结论与劈裂特性. 在室内试验研究的基础上，利用 PFC2D 建立圆盘直径为 50 mm 的砂岩数值模型. 具体模 拟方案如下： （1）将表 2 所示的细观参数赋予数值模型，生 成与岩石试件性质相近的砂岩模型； （2）利用 PFC 中的热模块对模型赋予 25、200、 400、600、800 和 1000 ℃ 等不同温度； （3）将圆盘直径由 50 mm 改为 60、80 和 100 mm 的砂岩数值模型，将这些不同尺寸砂岩试样分别 进行上述 6 个温度下的砂岩巴西劈裂模拟，分析 其劈裂强度和劣化幅值，并分别监测加载至峰值 荷载的 75%～100% 以及峰后阶段的孔隙率和裂 纹数量变化过程，分析两者滞后性规律. 2    模拟结果分析 根据上述模拟方案对不同尺寸的高温砂岩进 行巴西劈裂试验，共进行 24 组试验，根据试验结 果分别分析在高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩 劈裂强度变化规律、强度劣化幅值以及孔隙率增 加相对于裂隙逐渐扩展贯通的滞后性规律. 2.1    高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩劈裂强度 分析 各砂岩试样的劈裂强度如表 3 所示. 本节 将分析温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂强度影响 规律. 表 3 不同砂岩在巴西劈裂模拟下的劈裂强度 Table 3   Splitting strengths of different sandstone samples under Brazilian splitting simulations Sample number Temperature/℃ Diameter/mm Splitting strength/MPa Sample number Temperature/℃ Diameter/mm Splitting strength/MPa 1 25 50 2.239 13 600 50 2.190 2 25 60 2.015 14 600 60 2.013 3 25 80 1.276 15 600 80 1.223 4 25 100 0.963 16 600 100 1.004 5 200 50 2.364 17 800 50 2.145 6 200 60 2.151 18 800 60 1.798 7 200 80 1.371 19 800 80 1.174 8 200 100 1.040 20 800 100 0.862 9 400 50 2.320 21 1000 50 1.516 10 400 60 2.123 22 1000 60 1.275 11 400 80 1.361 23 1000 80 0.807 12 400 100 1.037 24 1000 100 0.673 基于模拟所得结果，利用 Origin 拟合所得砂岩 巴西劈裂强度与温度及尺寸的关系如图 9 所示. 从图 9（a）可以看出，在高温和尺寸效应耦合作用 下，随着温度升高以及砂岩尺寸增大，砂岩巴西劈 裂强度整体呈下降趋势，在温度达到 400 ℃ 前劈 裂强度略有上升. 这是由于在 400 ℃ 前砂岩内部 发生热膨胀，劈裂强度有所增大，随着温度继续升 高，砂岩内部由于热应力作用逐渐产生损伤，导致 砂岩劈裂强度下降，这一结论与苏海健等[12] 和孙 文进等[26] 对不同温度砂岩劈裂强度的试验结果规 律一致，即验证了利用颗粒流程序对高温砂岩数 值模拟计算结果的可靠性；而随着砂岩尺寸增大， 内部积聚的能量在达到峰值荷载前耗散，导致大 量微裂隙产生，使岩石劈裂强度下降，这一结论与 400 0 0.5 2.0 1.0 Laboratory test 25 Splitting strength/MPa (a) (b) 2.5 1.5 200 600 800 1000 Temperature/℃ Numerical simulation 图 8    砂岩数值模拟结果与室内试验结果对比. （a）砂岩试样；（b）颗 粒流模型 Fig.8    Comparison of numerical simulation and laboratory test results of sandstone with a diameter of 50 mm: (a) sandstone sample; (b) particle flow model · 32 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期