不同围压条件下孔壁周边裂纹演化的数值模拟分析
傅宇方1黄明利1任凤玉1 唐春安1,2
（1.东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006）
（2.中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放研究实验室 北京 100080）
摘要 利用RFPA2D软件研究了试样孔洞周边裂纹的形成和演化,验证了三种类型裂纹的存在。研究了不同围压条件下不同裂纹间的相互作用机制。验证了局部应力集中是裂纹形成和扩展的重要因素。同时也指出，岩石类材料非均匀性是形成拉、压应力集中区及裂纹扩展路径不规则和随机性的主要原因。
关键词 数值模拟、裂纹演化、非均匀性、声发射
分类号：TV223.4 文献标识码 A 文章编号:1000-6915(2000)05-0577-07
1.前 言
在深部采矿和地下结构工程中，从采油钻孔到巷道岩壁稳定性是人们一直关心的重要问题。岩壁破坏一般表现在裂纹形成和集结，多裂纹相互贯通，并引起表面岩石的剥落，严重的将引发岩壁的动力失稳等灾害。由于埋深和构造应力的不同，破坏的形式也存在差异，因此研究不同围压条件下岩壁裂纹分布和发展规律是一项有意义的工作，它可以为钻孔和巷道支护和设计提供更可靠的依据。
在单轴和多轴加载条件下岩样孔壁裂纹形成和演化研究方面，人们做了大量的工作[1-4]。通常认为裂纹的模式有3种：（1）初始裂纹（paimary cracks），随着施加载荷的增加而形成于孔洞周边的拉应力集中区；远场裂纹（remote cracks）在孔洞周边的远方形成的裂纹；剪切裂纹（shear cracks），在孔洞周边的压应力集中区形成的裂纹。这三种裂纹的分布形式见图1。
目前，国内外已有许多利用有限元(FEM)边界元(BEM)和位移非连续性方法[5](DDM)等数值方法研究孔洞周边材料破坏方面的报道。但是通常这些方法中的多数仅仅从均匀、连续介质出发，而实验和工程实际均表明岩石类材料非均匀性对破坏机制影响是非常显著的。目前岩石材料非均匀性对宏观性质的影响已得到人们的认识，如文[6]所述“微裂纹结构的演化和变形局部化行为的控制是决定岩石与混凝土材料的强度和变形性能的主要依据”实际工程中加载方式主要是压缩载荷，而通常岩石类脆性材料破坏均以拉伸破坏为主，按 照格里菲斯（Griffith）的思想，可以认为造成岩石材料脆性拉伸破坏的原因是其内部裂纹尖端的应力集中区诱导拉伸作用的结果。而实际上，岩石内部的孔隙、软的或硬的结核或颗粒、颗粒边界和三通点（triple point）都可以因为诱发应力集中而产生微破裂。在工程实际中F岩石的非均匀性主要受结构面的控制，但是在完整的、结构面不发育的岩体中，可以认为岩石材料的非均匀性是导致应力集中区产生的一个要原因。同时由于岩石内部裂纹扩展方式与应力状态有关，作为影响应力状态的围压需要给予考虑，这样裂纹扩展和相互作用研究才能符合实际情况。在上述认识的基础上，本文采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的用于岩石破坏过程分析的软件RFPA2D研究了不同围压条件下岩石孔洞周边的裂纹演化问题。
