·1298· 工程科学学报，第39卷，第9期 图5不同方向下的圆盘破坏试件.(a)0=0°：(b)0=15°；(c)9=30°：(d)6=45°：(e)0=60°：()9=75°：(g)0=90° Fig.5 Fracture patterns of discs with different orientations:(a)8=0°；(b)8=15°；(c)8=30°；(d)0=45°；(e)8=60°；(f)8=75°；(g)8= 90° 的“抗拉强度”可以认为是岩石一水泥砂浆的交界面 拉伸破坏.当0=75°和90°（图5(）、(g))时，除了水 的抗拉强度. 泥砂浆中发生拉伸破坏，岩石内也发生拉伸破坏.此 图5中(b)、(c)、(d)(0=15°，30°，45)显示了典 时，拉伸裂纹萌发在试样中心附近的岩石和水泥砂 型的沿单一交界面的断裂.当加载盘持续对圆盘施加 浆内. 荷载时，光滑交界面首先产生滑移现象，继而产生微小 3数值模拟 裂纹，并扩展成宏观裂纹，最终表现为一条沿交界面方 向的主裂纹贯穿整个试样.虽然主裂纹穿过试样中 3.1数值模型的建立 心，但是并没有在试样中心产生沿加载方向的拉伸裂 为进一步探究岩石一水泥砂浆交界面的破坏机 纹.与岩石和水泥砂浆的拉伸强度相比，交界面强度 理，采用颗粒流程序P℉C2对巴西劈裂试验进行了模 较低，在达到岩石、水泥砂浆的拉伸强度之前，首先在 拟.P℉C2D既可以直接模拟圆形颗粒的运动与相互作 交界面上发生破坏.因此，此组测得的峰值应力与岩 用问题，也可以通过两个或者多个颗粒与其直接相 石、水泥砂浆的抗拉强度无关，而与交界面强度存在一 邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结 定的数值关系. 构问题[2].在P℉C2D中，颗粒之间的黏结有两种基本 当0=60°，75°，90时，随着0的增大，沿着交界面 模型：接触黏结模型和平行黏结模型，平行黏结刚度 更适用于模拟硬岩类材料[].因此，本文采用平行 产生破坏越来越难，不再只是沿着单一交界面发生破 黏结模型. 坏，而呈现为一个更为复杂的破坏模式.如图5(e), 如图6所示，对中50mm×100mm的花岗岩和水泥 首先在试样中心附近的水泥砂浆内起裂，沿加载方向 a 出现可观的拉伸裂纹1，几乎同时交界面上发生滑移， 继而交界面两端都扩张成裂纹2并迅速传播.沿交界 面右端的裂纹2与加载方向的拉伸裂纹1首先贯通， 另一端的裂纹2与加载方向的拉伸裂纹1接近贯通的 时候，裂纹2不再继续沿交界面转而向加载方向的拉 伸裂纹1发展，形成裂纹3，最终形成如图5(e)所示的 一些弯曲的宏观裂纹.交界面上的裂纹不再继续沿交 界面而是转向加载方向发展，可能是因为岩桥的作用， 两裂纹之间更容易贯通.这种复杂的破坏形式既沿着 交界面发生，也发生在水泥砂浆或岩石中.当0=60° 图6花岗岩(a)和水泥砂浆(b)的单轴压缩试验 时，除了交界面的破坏，还有水泥砂浆内沿加载方向的 Fig.6 Uniaxial compression test of granite (a)and cement mortar (b)工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 图 5 不同方向下的圆盘破坏试件 郾 (a)兹 = 0毅; (b)兹 = 15毅; (c)兹 = 30毅; (d)兹 = 45毅;(e)兹 = 60毅;(f)兹 = 75毅;(g)兹 = 90毅 Fig. 5 Fracture patterns of discs with different orientations: (a)兹 = 0毅; (b)兹 = 15毅; ( c) 兹 = 30毅; (d) 兹 = 45毅;( e) 兹 = 60毅;( f) 兹 = 75毅;( g) 兹 = 90毅 的“抗拉强度冶 可以认为是岩石―水泥砂浆的交界面 的抗拉强度. 图 5 中(b)、(c)、(d)(兹 = 15毅,30毅,45毅)显示了典 型的沿单一交界面的断裂. 当加载盘持续对圆盘施加 荷载时,光滑交界面首先产生滑移现象,继而产生微小 裂纹,并扩展成宏观裂纹,最终表现为一条沿交界面方 向的主裂纹贯穿整个试样. 虽然主裂纹穿过试样中 心,但是并没有在试样中心产生沿加载方向的拉伸裂 纹. 与岩石和水泥砂浆的拉伸强度相比,交界面强度 较低,在达到岩石、水泥砂浆的拉伸强度之前,首先在 交界面上发生破坏. 因此,此组测得的峰值应力与岩 石、水泥砂浆的抗拉强度无关,而与交界面强度存在一 定的数值关系. 当 兹 = 60毅,75毅,90毅时,随着 兹 的增大,沿着交界面 产生破坏越来越难,不再只是沿着单一交界面发生破 坏,而呈现为一个更为复杂的破坏模式. 如图 5( e), 首先在试样中心附近的水泥砂浆内起裂,沿加载方向 出现可观的拉伸裂纹 1,几乎同时交界面上发生滑移, 继而交界面两端都扩张成裂纹 2 并迅速传播. 沿交界 面右端的裂纹 2 与加载方向的拉伸裂纹 1 首先贯通, 另一端的裂纹 2 与加载方向的拉伸裂纹 1 接近贯通的 时候,裂纹 2 不再继续沿交界面转而向加载方向的拉 伸裂纹 1 发展,形成裂纹 3,最终形成如图 5(e)所示的 一些弯曲的宏观裂纹. 交界面上的裂纹不再继续沿交 界面而是转向加载方向发展,可能是因为岩桥的作用, 两裂纹之间更容易贯通. 这种复杂的破坏形式既沿着 交界面发生,也发生在水泥砂浆或岩石中. 当 兹 = 60毅 时,除了交界面的破坏,还有水泥砂浆内沿加载方向的 拉伸破坏. 当 兹 = 75毅和 90毅(图 5( f)、( g))时,除了水 泥砂浆中发生拉伸破坏,岩石内也发生拉伸破坏. 此 时,拉伸裂纹萌发在试样中心附近的岩石和水泥砂 浆内. 3 数值模拟 3郾 1 数值模型的建立 为进一步探究岩石―水泥砂浆交界面的破坏机 理,采用颗粒流程序 PFC 2D对巴西劈裂试验进行了模 拟. PFC 2D既可以直接模拟圆形颗粒的运动与相互作 用问题,也可以通过两个或者多个颗粒与其直接相 邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结 构问题[20] . 在 PFC 2D中,颗粒之间的黏结有两种基本 模型:接触黏结模型和平行黏结模型,平行黏结刚度 更适用于模拟硬岩类材料[21] . 因此,本文采用平行 黏结模型. 图 6 花岗岩(a)和水泥砂浆(b)的单轴压缩试验 Fig. 6 Uniaxial compression test of granite (a) and cement mortar (b) 如图 6 所示,对 准50 mm 伊 100 mm 的花岗岩和水泥 ·1298·