含典型裂纹系硬包体试样破裂机制的数值试验
刘庭金，唐春安，焦明若
（东北大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 沈阳 110004）
摘 要：运用自行开发的岩石破裂过程分析系统 RFPA2D，对6种含不同典型裂纹系的硬包体试样的破裂机制进行了数值试验。结果表明：硬包体的存在有利于在包体及其上下两端的母岩中形成高应力区；裂纹系最终沿加载控制方向扩展，并终止在其他方向上的扩展；含F形裂纹系的硬包体试样容易发生破裂，其声发射频度低，而含顺向雁行裂纹系HD的硬包体试样则相反。
关 键 词：岩石破碎；典型裂纹系；硬包体；数值试验；破裂机制；声发射
中图分类号：P315.72 文献标识码：A
自Brady等地震学家提出包体孕震模式以来，国内外许多学者对此进行了大量的研究。Brady[1]等人从实验和理论角度论述了包体在地震发生与前兆机制中的作用。许昭永[2]对含硬包体试样的破裂特征进行了实验研究。现代地震学的最重要成果之一就是确认了地震(特别是浅源地震)是由地壳中已存在断层的扩展所造成。如果把地壳中的断层放到一个巨大的地质体介质中来考虑，这时的断层就相当于室内实验试样中的裂纹。因此，对试样中裂纹的破裂机制进行研究就显得很有必要。为此，唐春安[3,4]等人对脆性岩石中的裂纹扩展和贯通模式进行了大量的数值模拟研究。而针对试样中既含硬包体又含裂纹系的这一情况，目前这方面进行的研究较少。除崔晓峰等人[5]在1999年对含典型裂纹系硬包体复合模型的应力场及破裂特征进行了系列光弹实验外,目前这方面研究成果的报道较少。
本文在充分考虑岩石材料非均匀性的基础上,运用自行开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2P,对6种含不同典型裂纹系硬包体试样的破裂机制进行了数值试验研究。
1、数值方法简介
岩石破裂过程分析系统RFPA2D，是一个能模拟岩石介质逐步破坏过程的数值模拟工具,它系统地考虑了岩石材料性质的非均匀性，采用Weibull分布来描述微元体力学性质(如弹性模量、强度、泊松比等)的非均匀性，认为材料的宏观破坏是细观单元破坏的积累过程，它具有应力分析和破坏分析两大功能。RFPA2D的应力分析采用有限元法，破坏分析则根据一定的强度破坏准则来检验材料中是否有单元破坏。在加载过程中，由于单元的破坏是脆性的，因此将单元破坏释放的弹性能看成是声发射所释放的能量。
2、模型简述
根据硬包体孕震模式的两个基本条件：一、是具备积累大量弹性应变能；二、是具备发生突然应力降。因此将包体弹模(E=120GPa)设计为母岩弹模( E= 60GPa)的两倍,将包体抗压强度(σ=200MPa)设计为母岩(σ= 400MPa)的一半,并将典型裂纹系分布在包体内。现建立尺寸为80mm×60mm的模型试件，将其划分为160×120个等面积单元，包体直径 D=25mm，裂纹长度为8mm，雁行裂纹系两裂纹内侧间距、T形、F形裂纹系裂纹交汇处的间距为3mm。对系列模型进行单轴加载，每步位移加载量为0.001mm。
