黎崇金等：含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 ·1795· 35.7 MPa 38.5 MPa 40.7MPa.蜂值 24.4 MPa 初始拉 伸塑纹 (a) 远场拉伸裂纹 34.5 MPa 37.2 MPa 39.5MPa.峰值 23.6 MPa V型破碎区 b 初始拉 伸裂纹 远场拉伸裂纹 38.5 MPa 40.2 MPa 42.1MPa,峰值 25.3 MPa 初始拉 (c) 伸裂纹 V型破碎区 远场拉伸裂纹 图4单轴压缩条件下含孔洞试样的裂纹扩展过程（数值模拟结果）.(a)圆形孔洞：(b)矩形孔洞：()马蹄形孔洞 Fig.4 Crack coalescence process of a specimen containing a single hole under uniaxial compression (numerical results):(a)circular hole:(b) rectangular hole;(c)U-shaped hole 裂纹：当轴压增加到39.5MPa时，转角处的微观裂纹 纹首先从孔洞周边产生并向试样边缘延伸，但初始拉 向试样中部扩展、搭接形成V型破碎区，孔洞左下方 伸裂纹一般不扩展至试样边缘，试样的宏观破坏主要 出现了一组沿加载方向发育的远场拉伸裂纹：随加载 由剪切裂纹引起。对比不同孔洞形状试样的破坏过程 继续进行，剪切裂纹从V型破碎区的尖端开始向试样 可以发现，在矩形孔洞和马蹄形孔洞的侧面出现了V 的对角方向延伸，并与远场拉伸裂纹组成拉剪混合破 型破碎区（室内试验结果表现为孔壁剥落），剪切裂纹 碎带，最终导致试样发生宏观剪切破坏.对于马蹄形 从V型破碎区开始向试样对角延伸：而圆形孔洞边缘 孔洞试样，如图4(c)所示，当轴压为38.5MPa时，初 未出现V型破碎区，剪切裂纹直接从孔洞左右两侧开 始拉伸裂纹首先出现在孔洞下边缘，同时孔洞下方转 始向试样对角延伸.值得注意的是，由于岩石类材料 角处出现了少量微观裂纹；随轴压增加到40.2MPa,另 的非均质性，数值模拟的裂纹扩展过程难以得到与室 一条拉伸裂纹出现在孔洞上边缘，同时孔洞左下方出 内试验完全一致的结果. 现了一组沿加载方向发育的远场拉伸裂纹：当轴压增 2.2双轴压缩条件下的破坏特性 加到峰值时，左侧的剪切裂纹从孔洞左转角处开始向 为研究含孔洞试样破坏特性的围压效应，利用 左下方延伸并与远场拉伸裂纹搭接形成拉剪混合破碎 P℉C2D模拟含孔洞试样在不同围压条件下的双轴压 带，同时孔洞右侧同样出现了V型破碎区：试样最终 缩试验，结果如图5~7所示. 发生宏观剪切破坏 图5为双轴压缩条件下偏应力、微观裂纹数与轴 对比室内试验与数值模拟结果可以发现，数值模 向应变的关系曲线.从图中可以看出，虽然试样预制 拟的裂纹扩展过程与室内试验所得的裂纹扩展过程非 孔洞形状不同，但偏应力和微观裂纹数的变化规律基 常接近，说明P℉C2D能够较好地模拟含孔洞岩石试样 本相同.以圆形孔洞试样为例，加载初期试样的微观 的渐进破坏过程.单轴压缩条件下，含孔洞试样的裂 裂纹累积数为零，偏应力呈直线增加：当轴向应变增加黎崇金等: 含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 图 4 单轴压缩条件下含孔洞试样的裂纹扩展过程 ( 数值模拟结果) ． ( a) 圆形孔洞; ( b) 矩形孔洞; ( c) 马蹄形孔洞 Fig． 4 Crack coalescence process of a specimen containing a single hole under uniaxial compression ( numerical results) : ( a) circular hole; ( b) rectangular hole; ( c) U-shaped hole 裂纹; 当轴压增加到 39. 5 MPa 时，转角处的微观裂纹 向试样中部扩展、搭接形成 V 型破碎区，孔洞左下方 出现了一组沿加载方向发育的远场拉伸裂纹; 随加载 继续进行，剪切裂纹从 V 型破碎区的尖端开始向试样 的对角方向延伸，并与远场拉伸裂纹组成拉剪混合破 碎带，最终导致试样发生宏观剪切破坏． 对于马蹄形 孔洞试样，如图 4( c) 所示，当轴压为 38. 5 MPa 时，初 始拉伸裂纹首先出现在孔洞下边缘，同时孔洞下方转 角处出现了少量微观裂纹; 随轴压增加到 40. 2 MPa，另 一条拉伸裂纹出现在孔洞上边缘，同时孔洞左下方出 现了一组沿加载方向发育的远场拉伸裂纹; 当轴压增 加到峰值时，左侧的剪切裂纹从孔洞左转角处开始向 左下方延伸并与远场拉伸裂纹搭接形成拉剪混合破碎 带，同时孔洞右侧同样出现了 V 型破碎区; 试样最终 发生宏观剪切破坏． 对比室内试验与数值模拟结果可以发现，数值模 拟的裂纹扩展过程与室内试验所得的裂纹扩展过程非 常接近，说明 PFC2D 能够较好地模拟含孔洞岩石试样 的渐进破坏过程． 单轴压缩条件下，含孔洞试样的裂 纹首先从孔洞周边产生并向试样边缘延伸，但初始拉 伸裂纹一般不扩展至试样边缘，试样的宏观破坏主要 由剪切裂纹引起． 对比不同孔洞形状试样的破坏过程 可以发现，在矩形孔洞和马蹄形孔洞的侧面出现了 V 型破碎区( 室内试验结果表现为孔壁剥落) ，剪切裂纹 从 V 型破碎区开始向试样对角延伸; 而圆形孔洞边缘 未出现 V 型破碎区，剪切裂纹直接从孔洞左右两侧开 始向试样对角延伸． 值得注意的是，由于岩石类材料 的非均质性，数值模拟的裂纹扩展过程难以得到与室 内试验完全一致的结果． 2. 2 双轴压缩条件下的破坏特性 为研究含孔洞试样破坏特性的围压效应，利 用 PFC2D 模拟含孔洞试样在不同围压条件下的双轴压 缩试验，结果如图 5 ～ 7 所示． 图 5 为双轴压缩条件下偏应力、微观裂纹数与轴 向应变的关系曲线． 从图中可以看出，虽然试样预制 孔洞形状不同，但偏应力和微观裂纹数的变化规律基 本相同． 以圆形孔洞试样为例，加载初期试样的微观 裂纹累积数为零，偏应力呈直线增加; 当轴向应变增加 · 5971 ·