岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析.pdf

第 3 1 卷第 6期 2 0 1 2年 6月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V_0l _ 3 1 No ． 6 Ju ne， 2 O1 2 岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析 周 喻 。 。 ，MI S R A A ，吴顺川 ，张晓平 1 ． 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．堪萨斯大学 工程学院，美 国 劳伦斯6 6 0 4 5 7 6 0 9 3 ．中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 1 0 0 0 2 9 摘要基于颗粒流理论和 P F C程序，在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力 加载状态的选取等问题后，较为完善地实现岩石节理 P F C数值直剪试验，并分别从宏观和细观角度深入探讨节理 在 直剪试验 过程中的力学演化特征和破坏机制 。结合 已有 的节 理直 剪试 验成 果，进行室 内试验和计算结果的对 比 分析，验证计算方法的可靠性。研究成果如下 1 随恒定法向荷载的增大，剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增 大，节理面上黏结破坏颗粒增多，而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低； 2 随剪切位移的增加，节理面上粒间法向 接触数不断减少，接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转，而粒间接触压力不断增大，裂纹不断沿节理面附 近产 生，破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈； 3 数值试验得到 的剪切 阻抗值普遍高于试验值 ， 但 减小模 型 颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明，新提出的颗粒流计算方法非常适用于 岩石节理直剪试验的数值模拟，可为室内节理直剪试验和 P F C节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的 参考 。 关键词岩石力学；节理；直剪试验；颗粒流理论；P F C；宏观；细观 中图分类号T u 4 5 文献标识码A 文章缩号l 1 0 0 06 9 1 5 2 0 1 2 0 61 2 4 51 2 M ACRo． AND M ESo． ANALYS ES oF RoCK J oI NT DI RECT S HEAR TES T US I NG PARTI CLE FLoW THEoRY ZHOU Yu ， 2 M I SRA A ， W U S hu n c h u a n ， ZHANG Xi a o p i n g 3 1 ． Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n f o ， E ffic i e n t Mi n i n ga n dS a f e t yo f Me t a l Mi n e ，U n i v e r s i tyo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ． S c h o o l o f E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i ty o fK a n s a s ， K S6 6 0 4 5 7 6 0 9 ，U S A；3 ． I n s t i t u t e o fG e o l o gy a n d G e o p h y s i c s ，C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ，B e ij i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f r o c k j o i n t s h e a r t e s t w a s s u c c e s s f u l l y p e r f o r me d u s i n g t h e p a r t i c l e fl o w t h e o r y b a s e d o n p a r t i c l e fl o w c o d e P F C ，b y a d d r e s s i n g t h e i m p l e me n t a t i o n i s s u e s s u c h a s fl o a t e r e l i mi n a t i o n ， c o n s t a n t n o r ma l s t r e s s s e r v o me c h a n i s m a n d l o a d i n g v e l o c i t y s p e c i fic a t i o n ． Ba s e d o n t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ，the me c h a n i c a l e v o l u t i o n l a w a n d f a i l u r e me c h a n i s m d u r i n g t h e s h e a r t e s t p r o c e s s are d e e p l y d i s c u s s e d f r o m ma c r o a n d me s o - s c a l e p e r s p e c t i v e s ． T h e r e l i a b i l i ty o f t h e s i mu l a t i o n s me t h o d i s v e r i fie d b y c o mp a ri n g c a l c u l a t i o n r e s u l t s a n d e x i s t i n g d a t a fr o m l a b o r a t o ry j o i n t s h e ar t e s t ． T h e ma i n r e s e a r c h r e s u l t s are a s f o l l o ws 1 W油 the i n c r e a s e o f c o n s t a n t n o r ma l s t r e s s ，t h e n u mb e r o f f a i l u r e b o n d p a r t i c l e s o n j o i n t ，s h e ar s t r e s s a n d s h e a r d i s p l a c e me n t a t the p e a k s h e a r s t r e s s i n c r e a s e ，w h i l e t h e e ff e c t s o f s h e ar r e s i s t a n c e a n d d i l a t a n c y o n j o i n t s d e c r e a s e ． 2 A s the s h e ar d i s p l a c e me n t i n c r e a s e s ， t h e n u mb e r o f n o r ma l c o n t a c t b e t we e n p a r t i c l e s o n i o i n t d e c r e a s e s a n d c o n tac t v e c t o r d i r e c t i o n a l i g n s t o wa r d s t h e d i r e c t i o n o f s h e ar l o a d ． F u r t h e rm o r e ，t h e c o n t a c t f o r c e o n i o i n t c o n t i n u a l l y i n c r e a s e s wi t h c r a c k s d e v e l o p i n g i n t h e j o i n t v i c i n i ty； a n d t h e r u p t u r e f r e q u e n c y i s f o u n d t o b e mo s t i n t e n s e a t the p e a k v a l u e 收藕 日期l 2 0 1 2 0 2 0 5 ；修回 日期l 2 0 1 2 0 3 3 0 基金项 目t国家 自然科学基金资助项 H 5 1 0 7 4 0 1 4 ；5 1 1 7 4 0 1 4 ；长江学者和创新团队发展计划资助项 N I R T 0 9 5 0 作者简介t 周喻 1 9 8 5一 ，男， 2 0 0 8 年毕业于北京科技大学土木工程专业， 现为博士研究生， 主要从事岩体力学及数值计算方面的研究工作。 E ． ma i l we s t b o y 8 5 s i n a ． c o rn。通讯作者吴 11 ] 1 1 1 9 6 9一 ，男，现任教授、博士生导师。E ma i l w u s h u n c h u a n u s t b ． e d u ．c n 岩石力学与工程学报 2 0 1 2 笠 o f s h e a r s t r e s s ． 3 T h e s h e a r r e s i s t a n c e o b t a i n e d f r o m n u me r i c a 1 c a l c u l a t i o n i S h i g h e r t h a n t h a t o f t h e l a b o r a t o r y t e s t ． Ho we v e r ，t h e c a l c u l a t e d s h e a r r e s i s t a n c e c a n b e d e c r e a s e d e f f e c t i v e l y b y r e d u c i n g t h e p a r t i c l e r a d i u s ． T h e c o m p a r i s o n a n a l ys i s be t we e n l a bo r a t o r y t e s t a nd c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o ws t h a t t he p a r t i c l e f l o w c a l c ul a t i o n me t h o d p r o p o s e d h e r e i S s u i t a b l e f o r t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f r o c k i o i n t t e s t ，a n d i t c a n f u n c t i o n a s a b e n e fi c i a l r e f e r e n c e for d e e p l y r e s e a r c h o n t h e l a b o r a t o r y j o i n t s h e a r t e s t a s w e l l a s the me s o me c h a n i c a l p ara me t e r d e t e r mi n a t i o n for j o i n t mo d e l i n P F C． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ； j o i n t ；d i r e c t s h e ar t e s t ；p a r t i c l e fl o w t h e o ry；p a r t i c l e fl o w c o d e P F C ；ma c r o ；me s o 1 引 言 岩体中广泛存在的各种不连续结构面 ，如褶皱、 断层、层理、节理、劈理等，是不同时期地质构造 作用孕育的产物 。节理作为一种重要的地质结构面， 大量随机地分布于岩体 中，从而使岩体各类力学性 质 如抗压强度、弹性模量等 表现 出各向异性和尺 寸效应的特征，并常常成为控制大坝 、边坡、地下 硐室等各类岩体工程稳定性的关键因素之一。因此， 深入 开展岩石 节理力学性质 和破坏机制 的研 究工 作 ，是正确评价岩体质量、保证岩体工程安全施工 及合理降低工程成本的基础 ，具有重要的理论研究 意义和工程应用价值 。 目前，获取节理剪切力学参数最常用的方法是 室内直剪试验。该方法的最大优点在于尽可能地保 持了节理的天然结构状态，使测 出的节理力学参数 直观 、准确。R． E ． G o o d ma n等【 J 之 J 通过直剪试验， 较早地开展了岩石节理变形和强度等力学性质的研 究 。另外，王芝银和段品佳L 3 】 基于岩体三轴压缩试 验和莫尔 一库仑强度理论，通过标准岩样应力 一 位 移分析 ，提 出了节理刚度系数 、黏结力和内摩擦角 等节理力学参数确定 的新方法 。尽管室 内试验结果 较能准确地反映节理力学性质 ，但 由于节理形态的 多样性，难于获取具有相同表面形貌的节理试样 ， 致使试验结果重复性和稳定性较差。试验过程的复 杂及成本问题也成为制约室内节理力学试验广泛运 用 的重要因素 。此外，室内力学试验往往只能得到 节理剪切模量 、剪切强度等宏观力学试验结果，无 法深入揭示节理在剪切破坏过程 中的细观力学机 制。 除室内节理力学试验外，A． Mi s r a 等【 4 ] 通过建 立节理的数学力学模型，从理论上开展节理剪切力 学性质的研究。但其研究成果理论复杂、计算结果 理想化，因此，不利于工程应用 。 随着计算机技术的快速发展，计算机模拟正在 成为科学和工程等许多领域 内解 决问题的主流方 法，并与理论分析、试验研究一起成为科学研究的 三大支柱之一，基于模拟的工程和科学已经成为国 家的核心竞争力。因此，采用数值模拟开展岩石节 理力学性 质 的研 究成为 一种有效 手段 。A．P S ． S e l v a d u r a i 和 Q ． Y _u I 采用有限元方法进行 了节理直 剪试验的模拟，计算结果与节理直剪试验结果符合 较好 。但是，岩石及节理作为非连续介质材料，若 采用连续介质理论研究节理在承载过程 中的变形和 破坏机制 ，将无法反映岩石及节理的破碎和弱化效 应。颗粒离散元法作为一种新兴的数值分析法，从 细观角度通过圆形颗粒介质构建计算模型，采用有 限差分理论反复迭代可 自动反映介质的连续非线性 应力 一 应变关系、屈服强度、峰后应变硬化或软化 ， 以及介质破裂和裂纹发展的过程 。因此，该方法 己 广泛应用于节理岩体材料基本特性的研究L 8 。 引 。 在颗粒流法中，通过 J S E T模型表征节理单元 ， 可创建具有任意产状节理分布形式的岩体颗粒模型， 并对其加载以研究节理化岩体的各类力学性质[ 1 4 - 1 5 ] 。 因此，J S E T模型细观力学参数的选取及对应的宏观 力学响应 ，将直接影响岩体颗粒模型的计算精度。 通过 J S E T模型构建岩石节理直剪试验颗粒数值计 算模型，从而研究节理细观组构变化、宏观力学响 应 、变形、强度和破坏机制等， 目前 ，国内外还鲜 有报道。J ． W P a r k 和 J ． J ． S o n g [ 】 采用颗粒流理论和 P F C 川 软件 ，通过弱化颗粒强度表征节理单元 ，实 现 了节理直剪试验 的三维模拟。刘顺桂等I J ， J 通过设 计不 同连通情况和法 向应力的断续节理模型材料直 剪试验 ，并采用颗粒流离散元软件 P F C 对模型试 验进行 了全真数值模拟 。由于模型构建诸因素 如 J S E T模型的设置、悬浮颗粒消除、恒定法向荷载伺 服机制的建立、加载速率的选取等 对计算结果准确 性将产生较大影响，而前述研究成果并未对其进行 充分的分析与探讨 。 第 3 1 卷第 6期 周喻等岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析 1 2 4 7 本文基于颗粒流理论和 P F C程序 ， 在解决建模 过程 中悬浮颗粒的消除、恒定法 向荷载伺服机制的 施加 、拟静力加载状态 的选取等 问题后，较为完善 地实现了岩石节理 P F C数值直剪试验，并分别从宏 观和细观角度深入探讨 了节理在直剪试验过程中的 力学演化规律和破坏机制。同时，结合 已有的节理 直剪试验成果 ，进行试验和计算结果的对 比分析， 验证计算方法的可靠性 。因此，本文研究成果对今 后室 内岩石节理直剪试验的深入研究具有较高的参 考 价值 。 2 节理直剪数值试验实现过程 2 ． 1 数值试验细观力学参数 岩石节理直剪试验 P F C数值试样通过一系列圆 形颗粒构建，试样尺寸为 1 0 0 mmx 4 0 mm。圆形颗 粒半径采用 i ～ 的高斯分布 ，R i 0 ． 3 0 m l T l ， O ． 5 2 5 IT I lT I 。颗粒黏结采用平行黏结模型。采用 的数值试样细观力学参数见表 1 。 表 1 数值试样细观力学参数 T a b l e 1 M e s o me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f n u me fic a l s a mp l e s 墙体 颗粒 法 向 刚 度 ／ 切 向 刚 度 ／ 登 球 密 度 ／ N。 m N。 m k g． m 颗粒接触 刚 切向刚 摩擦因数 N m N m 2 ． 2 颗粒试样生成 首先定义墙体 ，共 6道，包 围的矩形范围为 1 0 0 mmx 4 0 mm，给定半径的颗粒在该区域 内随机 生 成 ，颗粒总数为 6 8 8 4个 。其中，2 ，4 ，6 墙体为 加载墙，1 ，3 ，5 墙体速率均固定为 0 。为保证颗 粒的生成及效率 ，先生成小直径颗粒，然后把半径 复原，并通过循环来消除试样 内部非均匀应力 。 在循环生成挤压颗粒体过程中，少许颗粒 由于 缺乏与周围颗粒的接触而形成悬浮颗粒【 l 8 J 。在岩石 介质 中，这些悬浮颗粒的存在致使黏结颗粒模型中 造成较大孔隙，并将严重影响模型的受力状态，造 成计算结果失真。因此 ，在赋予模型细观力学参数 之前，需消除悬浮颗粒 。本文中，将与周围颗粒接 触数量少于 3个的颗粒定义为悬浮颗粒，其消除步 骤为 1 搜索悬浮颗粒； 2 除悬浮颗粒外，固定 所有颗粒，并赋予其速度矢量为 0 ；f 3 使悬浮颗粒 面积扩大 3 0 ％，以使其与周围颗粒充分接触； 4 循 环一定步数达到局部平衡状态 ，比较悬浮颗粒间最 大接触力和指定容忍值，若前者小于后者，将此悬 浮颗粒更改为普通颗粒 ； 5 当悬浮颗粒间最大接 触力大于指定容忍值，缩小颗粒面积 1 5 ％，重复步 骤 4 ，以此消除模型中所有悬浮颗粒。 消除模型中悬浮颗粒后 ，按表 1为模型赋予细 观力 学参数 。使用 J S E T模 型，在颗粒体模型中部 生成一条水平产状 的节理 。节理两侧颗粒 间摩擦 因数设定为 0 ． 1 ， 平行黏结法 向强度和切 向强度设 定为 0 。岩石节理直剪试验 P F C数值模型如图 1 所 不。 图 1 岩石节理直剪试验 P F C数值模型 F i g ． 1 P F C n u me r i c a l mo d e l o f r o c k j o i n t d i r e c t s h e a r t e s t 2 ． 3 恒定法向荷载伺服机制 岩石节理 P F C数值直剪试验过程中，需研究在 不同恒定法 向荷载下的节理力学性质。由于 P F C中 墙体只能施加速率，因此 ，需基于伺服机制原理， 通过不断调整墙体速率以控制墙体受力大小【 l 9 ] 。采 用 fi s h语言 白编译伺服函数，并在试验过程每一计 算时步调用伺服函数，便可实现向墙体施加恒定法 向荷载的 目的。本试验中 2 墙体采用伺服机制保持 恒 定法向荷载 见图 1 ，其伺服机制实现过程如下 首先 ，设 定 2 墙 体 上指 定法 向恒 定应 力 为 。然后 ，获取 2 墙体上不平衡力大小总和并 除以岩石试样宽度，便可得到 2 墙体上实测应力大 1 2 4 8 岩石力学与工程学报 2 0 1 2 短 小 一 。则后续计算时步调用伺服函数时， 体的实际垂直加载速率应为 G a 。 一l q G A G 2 墙 式中G为伺服控制参量 ，其获取过程如下 每一计算时步 2 墙体移动引起的墙体受力最大 增量为 A F N A t 2 式中Ⅳc 为墙体上的接触数 ， 们为这些接触的平 均刚度。 因此 ，墙上应力改变量均值为 Ac y w k n N u v t f 3 1 式 中 为墙体面积，即 2 墙体宽度。 为使模型在计算过程中保持稳定，Ao - 绝对 值须小于 A t 7 绝对值 。因此，引入松弛因子 取值 范围为 0 ～1 ，一般取 0 ． 5即可 ，则有 l △ l I At 7 l 4 将式 1 ， 3 代入式 4 中，有 k w N G] A a[ A t l A al 5 A ’ 。 因此，可得伺服控制参量 G为 G 6 样 川 Ⅳ 将式 6 代入式 1 ，便可得到保持恒定法向荷载 的 2 墙体在每一计算时步实际垂直加载速率值 。 2 ．4 数值试验实现 岩石节理数值直剪试验过程 中，首先采用前述 的伺服机制 ，通过不断更新 2 墙体的垂直加载速率， 从而达到向颗粒体模型施加指定恒定法 向荷载的 目 的 。 其次，向颗粒体试样施加剪切荷载。剪切荷载 加载模式采用墙体速率控制方式，即指定 2 ，4 ， 6 墙体相 同的水平剪切速率。试验 中，需保持整个 过程 为拟静力加载状态，才能保证计算结果的可靠 性 。通过研究发现，水平剪切速率越大 ，所得到的 剪切应力 一剪切位移 曲线的峰值越大，且 曲线存在 较多 “ 噪声 ” 。当设定水平剪切速率 v 0 ． 0 6和 0 ． 0 3 mm／ 1 0 s t e p 时，可发现两者剪切应力 一剪切位移曲 线极为近似 ，且曲线几乎不存在噪声 。所 以，可认 为在本计算模型中，当设置水平剪切速率 1 ， 0 ． 0 3 mm／ 1 O 。 s t e p 时，便 已达到拟静力加载状态。因此 ， 设定 2 ，4 ，6 墙体 的水平剪切速率为 v0 ． 0 3 mm／ O0 s t e p 。另外，1 ，3 ，5 墙体 ，l ， 方 向速 率在整个试验过程中设定为 0 。 加载过程 中，颗粒体试样所受剪切应力 的计 算方法为 厂 7 。0 ． 5 ht 式 中 为 6 墙体与颗粒单元间水平 向接触力，h 为颗粒体试样高度 ，t 为颗粒单位厚度 。 3 试验结果分析 为探讨岩石节理在不同恒定法向荷载下的力学 特性，采用图 1 所示的模型进行节理直剪数值试验， 设置恒定法 向荷载 分别为 0 ． 5 0 ，0 ． 7 5 ，1 ． 0 0 MP a 三种不 同的试验工况。 3 ． 1 宏观力学特性 图 2为不同恒定法 向应力下剪切应力 一剪切位 移曲线。当 0 ． 5 0 ，0 ． 7 5 ，1 ． O 0 MP a时，剪切应 力峰值分别为 3 ． 1 0 ，3 ． 7 1 ，4 ． 3 8 MP a ，对应的剪切 位移分别为 0 ． 1 4 ，0 ． 2 2 ，0 ． 2 7 mm。由此可见，随着 恒定法 向荷载的增大，剪切应力峰值及其对应的剪 切位移量同时增大，且试样承受较高剪切应力状态 的时间越长。尽管恒定法 向荷载大小不同，但在达 到剪切应力峰值前的线弹性阶段，节理 的宏观剪切 模量斜率几乎保持相同。通过图 2中剪切应力峰值 及其对应 的剪切位移量计算得到节理 的剪切模量 E 约为 2 ． 2 3 GP a 。随着剪切位移的继续增大，不同 恒定法 向荷载下的剪切应力值相继下 降，表现 出不 同程度的应力软化现象 。 图2 不同恒定法向应力下剪切应力 一剪切位移曲线 F i g ．2 S h e a r s t r e s s - s h e ar d i s p l a c e me n t c u r v e s u n d e r d i ffe r e n t c o n s t a n t n o r ma l s tre s s e s 第 3 1 卷第 6期 周 喻等岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析 1 2 4 9 为评价不同恒定法向荷载下模型节理的抗剪性 能，提出 “ 剪切阻抗 ”的概念。“ 剪切阻抗”S R s h e a r r e s i s t a n c e 定义为 S R ／ 。图3为不同恒定法向 应力下剪切阻抗 一 剪切位移曲线。当 O ． 5 0 ， O ． 7 5 ， 1 ． 0 0 MP a时，剪切 阻抗 的峰值分别为 6 ． 1 2 ，4 ． 8 9 ， 4 ． 2 8 。由此可知，随着恒定法 向荷载的增大 ，剪切 阻抗的峰值随之减小。随着剪切位移的继续增加， 剪切阻抗达到峰值后 ，出现剪切阻抗软化的现象， 且恒定法 向荷载越大 ，软化程度越小，剪切阻抗表 现 出从软化逐渐 向理想塑性过渡的特征。最终，当 剪切位移较大时，不 同恒定法 向荷载下的剪切阻抗 曲线逐渐趋于相近值 。 图 3 不同恒定法向应力下剪切阻抗 一剪切位移曲线 F i g - 3 S R- s h e a r d i s p l a c e me n t c u r v e s u n d e r d i ffe r e n t c o n s t a n t n o r ma l s t r e s s e s 图 4为 2 墙体在不 同恒定法 向荷载下，节理面 上部颗粒体模型的法 向位移 一剪切位移 曲线。在直 剪试验初期 ，法 向位移变化较小，且其方 向沿 y轴 负向，表 明节理处颗粒主要处 于压 密过程 。 0 ． 5 0 ，0 ． 7 5 ，1 ． 0 0 MP a时，此阶段最大法 向位移量 分别为- 9 ． 9 7 x 1 0 _ ‘ ，- 2 ． 0 5 x 1 0 ～，一1 ． 1 5 x 1 0 _ ‘ mm。 不 同恒定法 向荷载下，压密过程持续的时间不 同。 an 0 ． 5 0 ，0 ． 7 5 ，1 ． O 0 MP a时，节理处颗粒处于压 密阶段 ，所对应的剪切位移量分别为 0 ． 0 8 9 ，0 ． 1 3 5 ， 0 ． 1 7 3 mm，表明恒定法 向荷载越大，节理处颗粒处 于压密过程的持续时间越长。当节理处颗粒完成压 密过程 ，法 向位移开始沿 y轴正向发展，即节理处 接触颗粒发生剪胀效应。恒定法 向荷载越低，法 向位 移增加速率越快 ，且其较早到达峰值 。a n 0 ． 5 0 ， 0 ． 7 5 ，1 ． 0 0 MP a时，法 向位移峰值分别 为 O ． 2 7 5 ， O ． 2 6 2 ，0 ． 2 4 8 mm，对应的剪切位移量分别为 0 ． 6 5 5 ， 0 - 3 0 0 -2 5 O ．2 0 鲁 董 0 ． 1 5 ．叵 0 ． 1 0 燃 0 ． O 5 0 ．O 0 一 O ． 0 5 ． 。 ‘ 。‘ ／／／ 1 ． 0 0 M P 。 ／／ l J J I l l 1 0 ．0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ．4 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 7 0 ⋯⋯ 图4 不同恒定法向荷载下法向位移 一剪切位移曲线 F i g ． 4 No r ma l d i s p l a c e me n t - s h e a r d i s p l a c e me n t c u r v e s un d e r d i f f e r e n t c o n s t a n t n o r ma l s e s s e s 0 ． 7 5 0 ，0 ． 8 4 5 mm，表 明恒定法 向荷载越小，颗粒体 最大法向位移量越大，即剪胀效应越明显。 图 5为不同恒定法 向荷载下，剪切应力达到峰 值时的计算模型破坏情况。计算模型破坏部分是指 黏结颗粒体模型在加载过程 中，颗粒间接触力超过 黏结强度而致使黏结破坏，由此造成的与原始黏结 颗粒体脱离的颗粒 。由图 5可知，模型破坏部分主 要沿节理面产状分布，这 同时也反映出在直剪试验 过程 中，节理面上被剪断凹凸体的分布情况。恒定 法向荷载越大 ，模型破坏部分越多，被剪断的凹凸 体则越多，其增加位置主要集中在节理面上 。当恒 定法 向荷载较大时，以 1 ． 0 0 MP a 为例 ，节理面 左端上部和右端下部分布较多的黏结破坏颗粒 。这 是因为在直剪试验过程中，受约束边界条件 墙体 恒定法向荷载o -n ／ MP a 模型破坏情况 0 ． 5 O O ． 7 5 1 ． O 0 图 5 剪切应力峰值时模型破坏情况 F i g ． 5 M o d e l f a i l u r e s t a t us a t p e a k v a l u e o f s h e a r s t r e s s 1 2 5 0 岩石力学与工程学报 2 0 1 2 笠 的影响，颗粒问接触力在 3 和 6 墙体附近集中程度 较大，致使较多颗粒黏结破坏。另外，直剪试验过 程 中颗粒间接触力分布特征见下文。 3 ． 2 细观力学特性 为详细研究节理在直剪试验过程中的细观破坏 特征，以恒定法向荷载为 0 ． 5 0 MP a的节理直剪试验 为例 。由于剪切应力曲线的峰前及峰值阶段 的力学 特性具有重要研究意义和应用价值 ，并常被研究者 们所关注，因此，本文选取恒定法 向荷载为 0 ． 5 0 MP a 时，剪切位移为 0 ． 0 0 ～0 ．2 7 mm 的剪切应力曲线为研 究对象 见 图 6 。 i v v I／ 一 霸 诲 鞠 1 箱 ． 簟 融 霸 剪切位移／ mm 图 6 剪切应力及破裂 频数 曲线 F i g ． 6 S h e a r s t r e s s a n d r u p t u r e f r e q u e n c y c a l v e s 由图 6可知，当剪切位移达到 0 ． 0 6 mm之前 ， 剪切应力 曲线基本表现为线弹性。此阶段颗粒黏结 破裂频数 等价于室内宏观试验 中测得的声发射频 数 在初期基本为 0 当剪切位移从 0 ． 0 6 mm 发展至 O ． 1 1 mm，破裂频数开始缓慢增长，然后维持在稳定 水平，并基本保持在 2 0次以下，表 明此阶段节理在 受剪切荷载的过程中，裂纹在试样中以低强度稳定 发展。 当剪切位移从 0 ． 1 1 mm发展至 0 ． 1 5 mm 时，剪 切应力 曲线呈非线性弹性 ，并伴随着小幅度突降， 直至达到剪切应力峰值。此阶段破裂频数呈现快速 增长态势，并在剪切应力 曲线突降时，出现大幅增 长 。因此，此阶段破裂频数特征表 明，试样 中裂纹 呈现非稳定急剧扩张态势 。 当剪切位移为 0 ． 1 4 mm时，剪切应力达到峰值 。 之后剪切应力 曲线伴随着较大降幅，此刻，破裂频 数也达到最大值 ，为 7 3次。 随着剪切位移进一步发展，剪切应力 曲线表现 出塑性发展特征。之后离峰值较近阶段，剪切应力 又出现较大降幅，并伴随较高破裂频数。随后，剪 切应力曲线平稳发展，破裂频数也降至较低水平 ， 一 般在 l 0次以内，表明试样中裂纹恢复至低强度稳 定发展态势。为从细观机制上探究节理在直剪试验 过程中的力学演化特征，分别在剪切位移为 O ． 0 0 ， 0 ． 0 6 ，0 ． 1 2 ，0 ． 1 5 ，0 ． 1 8 mm 时刻 ，设置观测点 I ，I I ， I I I ，I V，V 见图 6 。 图 7为各观测点节理面上颗粒间法向接触方位 角 分布情况。节理面上颗粒间法 向接触方位角 的定义为颗粒法 向接触矢量方向与 轴正 向问，沿 逆时针方向的夹角。由于反对称性，本文只讨论 0 。 ～ 1 8 0 。 范围内 的分布情况。 熹 藿 鲻 星 逛 图 7 各观测点节理面 上颗粒 间法 向接触方位角 分布 0． 5 0MPa 、 F i g ．7 Di s t r i b u t i o n o f n o r ma l c o n t a a z i mu t h a n g l e o n t h e j o i n t a t o b s e r v a t i o n p o i n t s o n 0 ． 5 0 MP a 如图 7所示， 当剪切位移为 0 ． 0 0 0mm 时，即观 测点 I处，试样处于完全恒定法 向荷载加载状态， 节理面上 、下接触面颗粒咬合较充分 ， 的分布范 围为 1 O 。 ～1 7 0 。 ，主要集 中在 6 O 。 ～1 2 0 。 。最大法向 接触数为 1 9 ，分布于 7 0 。 ～8 0 。 。因此 ，可认为此阶 段节理面上颗粒间法 向接触方位 角分布较为均匀 。 当剪切位移达到 0 ． 0 6 mm 时，即观测点 I I 处， 虽然 的分布范 围有所减小，降至 3 0 。 ～1 7 0 。 ，且 3 0 。 ～6 O 。 范围内的法向接触数量减小最为剧烈，但 7 0 。 ～8 0 。 和 9 O 。 ～1 0 0 。 范围内法 向接触数量却有所 增加，分别增至 2 0和 1 9个 。 随着剪切位移 的进一步增加 ，当其达 到 0 ． 1 2 mm 时，即观测点 I I I 处， 的分布范围及数量进一 步减小，主要集 中在 9 0 。 ～1 7 0 。 。最大法向接触数 为 1 5个，分布在 9 0 。 ～1 0 0 。 。当剪切位移达到 0 ． 1 5 mm 时，即观测 点 I V处， 的分布 范围主要集中 在 9 0 。 ～1 7 0 。 ，数量进一步减小。最大法向接触数 如 、 瑚 、 ， ， 3 3 2 1 1 O 0 日 自苣 尽豁 1 2 5 2 岩石力学与工程学报