·1360· 北京科技大学学报 第34卷 等回通过对非贯通岩石节理的直剪试验研究，将剪 10MPa,摩擦因数为0.5，半径乘子为1. 切破裂分为实际破裂、摩擦和剪胀、大剪切位移三个 为了研究节理面对岩石力学性质的影响，在原 过程.何江达和范景伟等从断裂力学的角度对 有模型试件中，采用JSET命令建立不同岩桥长度、 特定断续节理岩体的强度进行了估算.周小平等因 节理长度及倾角的节理岩石试件模型.由于试件的 利用裂纹孤立原理对多节理贯通机理进行了研究. 尺寸小，所以岩桥和节理长度的选择对试验也有一 朱维申等)提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪 定的影响，最终确定模型试样中岩桥长度分别为 复合破坏和翼裂纹扩展三种.刘远明等圆基于岩桥 0.50、0.75、1.00、1.25和1.50cm,节理长度分别为 力学性质弱化机制对非贯通节理岩体进行了试验研 0.7、0.8、0.9、1.0和1.1cm,倾角（与轴向的夹角） 究.夏才初等可对岩桥在剪切过程中的力学性质弱 分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°. 化特性进行了研究，建立了岩桥弱化力学模型，提出 岩桥力学性质弱化参数，并对参数的合理性进行了 2模拟结果分析 验证.陈新等0通过对裂隙石音试件进行压缩试 2.1岩桥长度的影响 验研究，得出断续节理岩体的宏观力学特性与节理 固定节理长度1cm,倾角45°，围压30MPa,分 面的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生等细观 析岩桥长度对试件力学性质的影响.图1为不同岩 损伤力学机制密切相关 桥长度岩样最终微破裂图（图中所示均为峰后强度 岩体内裂隙的分布形态，几何形状、尺度、角度、 为峰值强度70%时岩样的微破裂状态，下同)，红色 表面力学特性以及岩体的应力大小和方向等对岩体 代表拉破裂，黑色代表剪破裂，蓝色表示节理面. 力学性质的影响具有很大的不确定性.本文采用数 图2为不同岩桥长度岩样应力一应变曲线.按岩桥 值模拟的手段，建立不同节理状态的岩石试样模型， 长度从小到大的顺序，岩样最终微破裂个数分别为 对其进行双轴试验模拟，从岩桥长度、节理长度及倾 2640、2487、2417、2304和3188. 角三个方面，采用对比分析的方法来研究断续节理 从岩样的最终破裂（图1）可以看出，岩样的破 面对岩体宏观力学性质的影响，并从颗粒微破裂的 坏的原因可归结为三个方面：翼裂纹的扩展、次生裂 角度对岩样破坏的整体过程进行分析. 纹的延伸以及岩桥的贯通.岩桥的破裂方式为翼裂 1模型建立 纹扩展下的拉剪复合破坏，拉破裂为主. 对不同岩桥长度试件破裂的整个过程进行分 采用颗粒流数值模拟程序(PFC2D)以及平行 析，由于节理面端部应力集中严重，节理面的端部被 黏结模型进行模拟.模型试样尺寸为4.2cm× 拉裂，翼裂纹开始出现，并与轴呈较小的角度向外扩 10cm,颗粒最小半径为0.275mm,粒径比为1.66， 展.当岩桥长度较小(0.50~1.25cm)时，两节理面 单位厚度，将墙体的切向刚度和摩擦因数均设为0， 相邻端部翼裂纹以一定的夹角相连接并将中间岩桥 以实现光滑墙体的边界条件.模型细观力学参数的贯通，随着岩桥的贯通和翼裂纹的明显扩展，小的次 确定对反映岩石的宏观力学性质非常关键，需要经 生裂纹也开始增多，最终形成岩样的宏观破裂面：当 过反复地调整试算才可以得到.细观参数为：密度 岩桥达到一定长度(1.50cm),模型破裂初期翼裂纹 为2.63g·cm-3,接触模量为37.8GPa,刚度比为 的扩展明显，当翼裂纹扩展达到一定程度时，岩桥才 2.45,法向与切向强度均值为68.5MPa,标准差为 开始出现拉剪破裂，岩样逐渐失稳破坏. a 图1不同岩桥长度岩样最终微破裂图.(a)节理图：(b)0.50cm;(c)0.75cm:(d)1.00cm;(c)1.25cm;(01.50cm Fig.1 Final micro-fracture of rock samples containing different lengths of rock bridges:(a)joints:(b)0.50cm:(c)0.75 cm:(d)1.00cm:(e) 1.25cm:(f01.50cm 从图2可以看出，由于岩样中断续节理的存在 导致岩样表现出蠕变特性以及延性破坏.峰值强度北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 等［3］通过对非贯通岩石节理的直剪试验研究，将剪 切破裂分为实际破裂、摩擦和剪胀、大剪切位移三个 过程． 何江达和范景伟等［4--5］从断裂力学的角度对 特定断续节理岩体的强度进行了估算． 周小平等［6］ 利用裂纹孤立原理对多节理贯通机理进行了研究． 朱维申等［7］提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪 复合破坏和翼裂纹扩展三种． 刘远明等［8］基于岩桥 力学性质弱化机制对非贯通节理岩体进行了试验研 究． 夏才初等［9］对岩桥在剪切过程中的力学性质弱 化特性进行了研究，建立了岩桥弱化力学模型，提出 岩桥力学性质弱化参数，并对参数的合理性进行了 验证． 陈新等［10］通过对裂隙石膏试件进行压缩试 验研究，得出断续节理岩体的宏观力学特性与节理 面的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生等细观 损伤力学机制密切相关． 岩体内裂隙的分布形态，几何形状、尺度、角度、 表面力学特性以及岩体的应力大小和方向等对岩体 力学性质的影响具有很大的不确定性． 本文采用数 值模拟的手段，建立不同节理状态的岩石试样模型， 对其进行双轴试验模拟，从岩桥长度、节理长度及倾 角三个方面，采用对比分析的方法来研究断续节理 面对岩体宏观力学性质的影响，并从颗粒微破裂的 角度对岩样破坏的整体过程进行分析． 1 模型建立 采用颗粒流数值模拟程序( PFC2D) 以及平行 黏结模型进行模拟． 模型试样尺寸为 4. 2 cm × 10 cm，颗粒最小半径为 0. 275 mm，粒径比为 1. 66， 单位厚度，将墙体的切向刚度和摩擦因数均设为 0， 以实现光滑墙体的边界条件． 模型细观力学参数的 确定对反映岩石的宏观力学性质非常关键，需要经 过反复地调整试算才可以得到． 细观参数为: 密度 为 2. 63 g·cm － 3 ，接触模量为 37. 8 GPa，刚度比为 2. 45，法向与切向强度均值为 68. 5 MPa，标准差为 10 MPa，摩擦因数为 0. 5，半径乘子为 1． 为了研究节理面对岩石力学性质的影响，在原 有模型试件中，采用 JSET 命令建立不同岩桥长度、 节理长度及倾角的节理岩石试件模型． 由于试件的 尺寸小，所以岩桥和节理长度的选择对试验也有一 定的影响，最终确定模型试样中岩桥长度分别为 0. 50、0. 75、1. 00、1. 25 和 1. 50 cm，节理长度分别为 0. 7、0. 8、0. 9、1. 0 和 1. 1 cm，倾角( 与轴向的夹角) 分别为 0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°． 2 模拟结果分析 2. 1 岩桥长度的影响 固定节理长度 1 cm，倾角 45°，围压 30 MPa，分 析岩桥长度对试件力学性质的影响． 图 1 为不同岩 桥长度岩样最终微破裂图( 图中所示均为峰后强度 为峰值强度 70% 时岩样的微破裂状态，下同) ，红色 代表拉破裂，黑色代表剪破裂，蓝色表示节理面． 图 2为不同岩桥长度岩样应力--应变曲线． 按岩桥 长度从小到大的顺序，岩样最终微破裂个数分别为 2 640、2 487、2 417、2 304 和 3 188． 从岩样的最终破裂( 图 1) 可以看出，岩样的破 坏的原因可归结为三个方面: 翼裂纹的扩展、次生裂 纹的延伸以及岩桥的贯通． 岩桥的破裂方式为翼裂 纹扩展下的拉剪复合破坏，拉破裂为主． 对不同岩桥长度试件破裂的整个过程进行分 析，由于节理面端部应力集中严重，节理面的端部被 拉裂，翼裂纹开始出现，并与轴呈较小的角度向外扩 展． 当岩桥长度较小( 0. 50 ～ 1. 25 cm) 时，两节理面 相邻端部翼裂纹以一定的夹角相连接并将中间岩桥 贯通，随着岩桥的贯通和翼裂纹的明显扩展，小的次 生裂纹也开始增多，最终形成岩样的宏观破裂面; 当 岩桥达到一定长度( 1. 50 cm) ，模型破裂初期翼裂纹 的扩展明显，当翼裂纹扩展达到一定程度时，岩桥才 开始出现拉剪破裂，岩样逐渐失稳破坏． 图 1 不同岩桥长度岩样最终微破裂图． ( a) 节理图; ( b) 0. 50 cm; ( c) 0. 75 cm; ( d) 1. 00 cm; ( e) 1. 25 cm; ( f) 1. 50 cm Fig． 1 Final micro-fracture of rock samples containing different lengths of rock bridges: ( a) joints; ( b) 0. 50 cm; ( c) 0. 75 cm; ( d) 1. 00 cm; ( e) 1. 25 cm; ( f) 1. 50 cm 从图 2 可以看出，由于岩样中断续节理的存在 导致岩样表现出蠕变特性以及延性破坏． 峰值强度 ·1360·