煤炭学报

作者：朱栋, 靖洪文, 尹乾, 陶祥令, 宗义江,

关键词：弧形裂隙, 起裂应力, 破裂过程, 声发射, 应力强度因子,

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂 纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征还不够全面,基于此 在板状黄砂岩试样内预制了不同 γ 值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂 岩的力学特征。 利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同 γ 值弧形裂隙缺陷, 采用 YNS-2000 型电液伺服控制试验系统、DS2 声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙 γ 在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量和割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂 应力和破坏形式的影响规律。 利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问 题,获得尖端应力强度因子表达式。 试验结果表明:① 弧形裂隙缺陷砂岩试样随着 γ 的增大,峰后 试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当 γ = 0.2时峰 值强度最大为 27.09 MPa;当 γ = 1 时峰值强度最小为 18.99 MPa。 ② 预制弧形裂隙 γ 对试样起裂 应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着 γ 值的增大,试样起 裂应力呈总体减小趋势,当 γ = 0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为 4.99 MPa;当 γ = 0 时,试 样的平均起裂应力值为 11.08 MPa,平均起裂应力值最大。 ③ 随着 γ 的增大,试样的破坏模式由 拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当 γ = 0 时,试样为拉剪破坏;当 γ 在 0.2~1.0 时,试样为拉伸破 坏。 初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致 试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。 通过对含弧形 裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲 线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。 研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂 隙 γ 对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂 岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。

来源：2019年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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