436 工程科学学报，第44卷，第3期 ,20 MPa 图8不同围压层理页岩最终破裂模式(B=75) Fig.Ultimate failure modes of the bedding shale in different confining pressures(B75) 纹附近的位移场进行分析，如图9所示.图中小箭 的夹角较大，此时层理对试样整体力学特性的影 头颜色代表着位移的大小，大箭头表示裂纹附近 响较小，由此可知在层理与轴向应力夹角较小时， 颗粒的运动方向，黑色直线为层理所在位置 层理对其周围颗粒的运动方向及大小影响较为明 (c)i 显，颗粒容易发生沿层理方向的相对位移从而宏 观上表现出沿层理面的剪切破坏，这是由于层理 面为页岩的弱面，单轴情况下，层理面所承受的剪 切应力和张力相对较大，当层理面所承受应力大 于其强度，试样沿层理面发生滑移破坏.另一方面 0.05 0.55 当层理面与轴向应力夹角较大时，层理面未表现 Displacement/mm 明显弱面效应，在基质中产生劈裂破坏，此时试样 图9不同层理倾角试样位移场示意图.(a)=15°：(b)=45:(c)=75° Fig.9 Diagram of the displacement field of specimens with differen 破坏需要较大的不连续横向位移 bedding inclinations:(a)=15;(b)=45;(c)=75 2.4微裂纹数目演化规律 图9(a)为=15试样在单轴压缩作用破坏下 试样的损伤破裂是其微裂纹的萌生、扩展、贯 的局部位移矢量图，从图中可得颗粒间沿层理方 通的宏观体现.P℉C可以记录试样加载过程中微 向的位移差是试样沿层理发生剪切破坏的主要原 裂纹的数目变化，据此可以定量分析三轴压缩下 因：图9(b)为-45°试样局部位移矢量图，图中沿 不同层理倾角和围压作用下页岩的损伤过程.由 层理剪切的裂纹是由沿层理方向的位移分量方向 于同一层理倾角在不同围压下的演化趋势大致相 相反产生的，同时图中拉伸裂纹的出现是由周围 同，此处选取一个倾角的模拟结果进行分析.图10(a) 颗粒发生反向位移造成的；图9(c)为=75试样破 为B=0°试样在不同围压作用下微裂纹演化曲线， 坏后的局部位移矢量图，此时试样中的裂纹是由 从图中可见，随着轴向应变的增大，微裂纹数目的 于颗粒的横向位移差产生，由于层理与轴向应力 演化规律大致可以分为缓慢增长阶段、快速增加 14 18 (b) 12 6 =0° -60 -15° =75 -30° -90° 45° 10 6 3=0MPa 8 0;=5 MPa 4 ;=10 MPa 6 03=20 MPa 4 2 0;=40 MPa o;=60 MPa 2 0 0 3 456 89 10 6810121416 c/10-3 /103 图10层理页岩微裂纹演化曲线.(a)不同围压下=0°页岩微裂纹演化规律；(b)不同层理倾角页岩微裂纹演化规律(a,=60MPa) Fig.10 Evolution curves of the number of microcracks of the bedding shale:(a)evolution law of shale microcrack at B=0 under different confining pressures;(b)evolution law of microcracks in shale with different bedded inclination angles(o;=60 MPa)纹附近的位移场进行分析，如图 9 所示. 图中小箭 头颜色代表着位移的大小，大箭头表示裂纹附近 颗粒的运动方向，黑色直线为层理所在位置. (a) 0.05 0.55 Displacement/mm (b) (c) 图 9    不同层理倾角试样位移场示意图. （a）β=15°；（b）β=45°；（c）β=75° Fig.9     Diagram  of  the  displacement  field  of  specimens  with  different bedding inclinations: (a) β=15°; (b) β=45°; (c) β=75° 图 9（a）为 β=15°试样在单轴压缩作用破坏下 的局部位移矢量图，从图中可得颗粒间沿层理方 向的位移差是试样沿层理发生剪切破坏的主要原 因；图 9（b）为 β=45°试样局部位移矢量图，图中沿 层理剪切的裂纹是由沿层理方向的位移分量方向 相反产生的，同时图中拉伸裂纹的出现是由周围 颗粒发生反向位移造成的；图 9（c）为 β=75°试样破 坏后的局部位移矢量图，此时试样中的裂纹是由 于颗粒的横向位移差产生，由于层理与轴向应力 的夹角较大，此时层理对试样整体力学特性的影 响较小. 由此可知在层理与轴向应力夹角较小时， 层理对其周围颗粒的运动方向及大小影响较为明 显，颗粒容易发生沿层理方向的相对位移从而宏 观上表现出沿层理面的剪切破坏. 这是由于层理 面为页岩的弱面，单轴情况下，层理面所承受的剪 切应力和张力相对较大，当层理面所承受应力大 于其强度，试样沿层理面发生滑移破坏. 另一方面 当层理面与轴向应力夹角较大时，层理面未表现 明显弱面效应，在基质中产生劈裂破坏，此时试样 破坏需要较大的不连续横向位移. 2.4    微裂纹数目演化规律 试样的损伤破裂是其微裂纹的萌生、扩展、贯 通的宏观体现. PFC 可以记录试样加载过程中微 裂纹的数目变化，据此可以定量分析三轴压缩下 不同层理倾角和围压作用下页岩的损伤过程. 由 于同一层理倾角在不同围压下的演化趋势大致相 同，此处选取一个倾角的模拟结果进行分析. 图 10（a） 为 β = 0°试样在不同围压作用下微裂纹演化曲线， 从图中可见，随着轴向应变的增大，微裂纹数目的 演化规律大致可以分为缓慢增长阶段、快速增加 β=0° β=15° β=30° β=45° β=60° β=75° β=90° (a) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 σ3=10 MPa σ3=5 MPa σ3=0 MPa σ3=60 MPa σ3=40 MPa σ3=20 MPa The number of microcracks/10 3 ε1 /10−3 ε1 /10−3 (b) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 The number of microcracks/10 3 图 10    层理页岩微裂纹演化曲线. （a）不同围压下 β=0°页岩微裂纹演化规律；（b）不同层理倾角页岩微裂纹演化规律（σ3=60 MPa） Fig.10    Evolution curves of the number of microcracks of the bedding shale: (a) evolution law of shale microcrack at β=0° under different confining pressures; (b) evolution law of microcracks in shale with different bedded inclination angles (σ3=60 MPa) σ3=0 MPa σ3=5 MPa σ3=10 MPa σ3=20 MPa σ3=40 MPa σ3=60 MPa 图 8    不同围压层理页岩最终破裂模式（β = 75°） Fig.8    Ultimate failure modes of the bedding shale in different confining pressures (β = 75°) · 436 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期