表1Table1

含單一閉合裂紋巖石試件細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Containsasingleclosedcrackrockspecimenmesoscopicmechanicsparameters

均質(zhì)度m3

彈性模量E40000MPa

抗壓強(qiáng)度σ100MPa

泊松比ν0.25

摩擦角30°

壓拉比10

對(duì)方案①進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，圖6給出了巖石破裂過程的剪應(yīng)力圖（由于篇幅問題，只列出2a=20mm時(shí)的剪應(yīng)力圖）。單軸壓縮下，應(yīng)力驅(qū)動(dòng)引起翼裂張開，微細(xì)裂紋首先在主裂紋尖端萌生，隨著加載進(jìn)行，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，微細(xì)裂紋在主裂紋尖端貫通，當(dāng)翼裂開始擴(kuò)展時(shí)，逐漸趨向于主壓應(yīng)力一致的方向

［12］

。從圖中還可以看出，巖石試件破

裂過程中沿著裂紋面產(chǎn)生了滑移。圖7不同裂紋長(zhǎng)度巖石試件應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖上可以看出單軸壓縮下裂紋長(zhǎng)度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，裂紋長(zhǎng)度越小，巖石試件破裂強(qiáng)度越大，裂紋長(zhǎng)度越大巖石試件破裂強(qiáng)度越小

。

設(shè)計(jì)方案如下：

①裂紋長(zhǎng)度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。固定裂紋傾角

5mm、10mm、15mm、β=30°，裂紋長(zhǎng)度依次取0mm、

20mm、25mm，分別對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮。②裂紋傾角對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。固定裂紋長(zhǎng)度2a=15mm，30°、45°、60°、裂紋傾角依次取15°、75°，分別對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮。2.2

數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算模型如圖5，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用平面應(yīng)變模型，整個(gè)加載過程通過位移加載方式，每步加載位移量△s=0.002mm。

圖5Fig．5

數(shù)值模型Numerical

model

圖6

Fig．6

裂紋長(zhǎng)度2a=20mm剪應(yīng)力破壞圖

Thefigureofshearstressdamagewhencracklengthis20mm

·60·中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第11卷

15°和β=45°巖石試件破裂都是經(jīng)歷裂紋萌生、擴(kuò)展及最終的宏觀破壞，不同的是β=15°時(shí)，次生裂紋萌生、擴(kuò)展并不是出現(xiàn)在主裂紋尖端，而是在靠近主裂紋尖端部位，在應(yīng)力達(dá)到峰值前裂紋擴(kuò)展相對(duì)容易，但裂紋萌生應(yīng)力較大，在step=12時(shí)，裂紋開始萌生。當(dāng)β=45°時(shí)，次生裂紋的萌生和擴(kuò)展主要是

圖7Fig．7

不同裂紋長(zhǎng)度巖石試件應(yīng)力－應(yīng)變曲線Differentcracklengthofrockspecimen

stress-straincurve

圍繞主裂紋的尖端展開的，隨加載的進(jìn)行，在主裂紋兩端形成翼裂紋，并沿著主加載方向向端部擴(kuò)展，另step=8時(shí)裂紋開外β=45°時(shí)，裂紋萌生比較容易，始萌生，且加載到55步時(shí)巖石試件已經(jīng)完全破裂，相對(duì)β=15°時(shí)容易破裂。圖9是不同裂紋傾角巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線

。

2）裂紋傾角對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。

圖8是β=15°和對(duì)方案②進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，

45°時(shí)巖石試件破壞的剪應(yīng)力圖，由圖可以看出β=

圖8

Fig．8

β=15°和45°時(shí)的剪應(yīng)力破壞圖

Thefigureofshearstressdamagewhenβare15°and45°

從曲線可以看出，巖石試件的破裂強(qiáng)度在β=45°時(shí)最小，當(dāng)β＞45°時(shí)，破裂強(qiáng)度隨β的增大而增大，當(dāng)β＜45°巖石試件的破裂強(qiáng)度隨β的減小而增大，所以β=45°時(shí)，是巖石最易破裂角，和公式（12）驗(yàn)證結(jié)果一致。

摩擦系數(shù)fw的增大而增大，減小而減小，說明裂紋

的摩擦系數(shù)對(duì)裂紋巖體的安全是有益的。

2）巖體的破裂強(qiáng)度主要由裂紋面的破裂強(qiáng)度控制，因此裂紋長(zhǎng)度和裂紋傾角都是影響巖體的破裂強(qiáng)度的重要因素，巖體的破裂強(qiáng)度隨裂紋長(zhǎng)度的增大而減小，隨裂紋傾角的增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在β=45°時(shí)達(dá)到最小。

3）用數(shù)值軟件主要從裂紋長(zhǎng)度和傾角出發(fā)來

3結(jié)論

1）單軸壓縮載荷下，受壓巖體的破裂強(qiáng)度隨著

第2期中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)·61·

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圖9

Fig．9

不同裂紋傾角巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線

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DifferentAngleofcrackrockstressstraincurve

數(shù)值模擬很好地驗(yàn)證了計(jì)算其對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，

理論分析，使研究結(jié)果更加具有說服力，且驗(yàn)證了數(shù)值分析的可行性。參考文獻(xiàn)

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