基于矿物晶体模型的非均质裂隙花岗岩双轴压缩微裂纹演化特征
作者：
严旭锋, 张振宇, 郝胜鹏, 窦浩然
作者单位：
1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室, 重庆 400044;
2. 重庆大学 资源与安全学院, 重庆 400044
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摘要
为深入研究非均质矿物晶体微观结构影响下裂隙花岗岩的力学特性和损伤演化规律，结合花岗岩力学试验结果，开发了考虑矿物晶体结构影响的离散元数值模型，通过开展不同围压下裂隙花岗岩压缩试验，建立了围压和裂隙倾角双重因素影响下花岗岩应力峰值经验模型，从微观尺度上阐明了花岗岩微裂纹破裂机理。研究结果表明：(1)随裂隙倾角的增加，花岗岩抗压强度呈先降低后升高的趋势，在无围压条件下，裂隙倾角θ=31.8°时花岗岩的抗压强度最低。(2)应力加载过程中，花岗岩微裂纹演化呈空间局部化，沿晶张拉裂纹随机分布在试样内部，穿晶张拉裂纹则主要聚集在裂纹扩展阶段的断面附近，并伴随着宏观断裂。(3)随着围压的增大，总微裂纹数量逐渐增加，穿晶张拉裂纹在总微裂纹中的占比明显上升，围压为0, 10, 20和30 MPa时，穿晶张拉裂纹分别占总数的36.1%, 45.0%, 48.3%和51.4%。(4)非均质裂隙花岗岩强度特征受矿物基质空间分布的影响，正长石会阻止微裂纹的扩展和聚合。与单一剪切断面花岗岩相比，非均质性影响下“V”形宏观裂纹的花岗岩应力峰值更高。
图片
图 1 本构模型
图 2 线平行黏结和光滑节理黏结断裂后的接触模式
图 3 GBM 矿物微观结构和颗粒生成的步骤
图 4 GBM 双轴加载伺服原理
图 5 GBM 微观力学参数标定流程
图 6 实验室测试与 GBM 数值模拟结果比较
图 7 不同裂隙倾角下花岗岩 GBM 应力-应变曲线
图 8 不同围压和裂隙倾角条件下花岗岩应力峰值分布
图 9 GBM 不同类型微裂纹破坏模式示意
图 10 试样 S0-D45 微裂纹分布
图 11 不同围压条件下含 45°裂隙试样微裂纹分布
图 12 不同围压和裂隙倾角条件下花岗岩微裂纹累计数量
图 13 不同围压下轴向应力为 0.7 σp时微裂纹占比
图 14 不同非均质性系数 GBM 试样应力峰值
图 15 不同非均质性系数下 45°裂隙倾角试样微裂纹空间分布
作者简介
张振宇（1983—），山东济宁人，重庆大学教授，博士生导师。国家级青年人才、重庆市杰青、重庆市青年拔尖人才，承担国家自然科学基金等科研项目10余项。担任Rock Mechanics and Rock Engineering编委、客座主编、《采矿与岩层控制工程学报》副主编等，兼任中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会理事、智能开采与岩层控制分会理事、中国大坝工程学会库坝渗流专业委员会委员等。紧密围绕岩石力学与工程领域的重大需求和科学前沿，对矿山压力与控制、岩石多物理场耦合、裂隙岩体稳定性等方向进行了深入研究并取得一系列成果。在国内外高水平刊物上发表论文70余篇，其中SCI收录60篇，“卓越期刊”EI论文2篇。获澳大利亚奋进领导力学者奖、全国高等学校矿业石油安全领域优秀青年人才奖、重庆市科技进步一等奖等多项荣誉。
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