節(jié)理特性對巖體力學(xué)性能的影響

張國凱，李海波，夏祥，李娜娜，柴少波

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節(jié)理特性對巖體力學(xué)性能的影響

張國凱，李海波，夏祥，李娜娜，柴少波

(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北武漢，430071)

采用顆粒流模擬研究單軸壓縮下節(jié)理特性對試件宏觀力學(xué)參數(shù)、能量及波傳播規(guī)律的影響，揭示裂紋擴(kuò)展演化機(jī)理及破壞模式的變化規(guī)律，定義細(xì)觀節(jié)理剛度比和強(qiáng)度比反映節(jié)理力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：峰值強(qiáng)度、彈性模量、起裂應(yīng)力隨節(jié)理厚度增加、剛度比的下降而不斷減小，泊松比隨節(jié)理厚度增加而大幅度增加，節(jié)理強(qiáng)度比直接影響峰值強(qiáng)度；與張開節(jié)理相比，節(jié)理充填物降低尖端應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件損傷破壞程度及破壞模式的改變，同時引起宏觀力學(xué)參數(shù)增大，并隨節(jié)理剛度減小，逐漸趨近前者。通過在模型內(nèi)設(shè)置激發(fā)源和接收器，對激發(fā)源施加速度脈沖模擬剪切波和壓縮波的傳播過程，節(jié)理對波幅影響遠(yuǎn)大于波速，充填節(jié)理透射系數(shù)明顯大于張開節(jié)理透射系數(shù)，前者隨厚度增加衰減更快，與縱波相比，橫波隨節(jié)理弱化衰減較快。

顆粒流；單軸壓縮；節(jié)理特性；巖體力學(xué)參數(shù)；波傳播

由于漫長的地質(zhì)作用，工程巖體大多含有不同類型的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面密度、張開度、填充物特性、幾何產(chǎn)狀、連通度等都直接影響巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定，參數(shù)自由組合的多樣性，使得巖體的各向異性、復(fù)雜性更為突出，節(jié)理巖體的變形和力學(xué)特性已成為巖石力學(xué)的研究熱點[1?2]。YOSHINAKA等[1?2]研究了節(jié)理粗糙度、摩擦角、幾何產(chǎn)狀對巖體強(qiáng)度和變形的影響規(guī)律，并在工程中得到了驗證和推廣。任偉中等[3]對閉合斷續(xù)節(jié)理巖體壓縮破壞進(jìn)行了實驗研究，裂隙擴(kuò)展前，節(jié)理尖端拉壓應(yīng)力均出現(xiàn)集中，拉應(yīng)力逐漸消散，壓應(yīng)力集中程度則不斷加劇。邵鵬等[4]研究了室內(nèi)爆破動荷載下充填與非充填試件的疲勞損傷累積，得出充填介質(zhì)減緩了損傷的累積進(jìn)程。陳新等[5]對不同產(chǎn)狀和連通率張開裂隙石膏進(jìn)行單軸壓縮試驗，得出隨著連通率增大，試件延性增強(qiáng)，力學(xué)參數(shù)下降。張波等[6]通過相似材料研究含預(yù)制裂隙巖石的破壞過程，采用有限元對試件損傷斷裂過程進(jìn)行了模擬驗證。金愛兵等[7]采用顆粒流程序模擬了巖橋長度、節(jié)理長度及傾角對試件宏觀力學(xué)特性的影響，得出試件力學(xué)特性受節(jié)理長度的影響比受巖橋長度的影響大，初始破裂與傾角密切相關(guān)。LEE等[8]對不同傾角張開裂隙花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，研究了單一和非平行雙節(jié)理試件裂隙起裂、發(fā)展及貫通過程，PFC模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗基本吻合。黃達(dá)等[9]采用顆粒流研究加載速率、傾角對張開非貫通節(jié)理試件破壞的影響，隨著傾角增大，裂紋尖端切向應(yīng)力呈增大趨勢，法向應(yīng)力則減小。上述研究多針對張開非充填節(jié)理巖體，工程巖體結(jié)構(gòu)面多含充填物，充填物對巖體力學(xué)特性影響明顯[6]。趙永紅[10]采用電鏡掃描研究了水泥砂漿充填和張開節(jié)理試件的裂紋萌生、擴(kuò)展及貫通過程，得出充填節(jié)理試件起裂應(yīng)力較大，起裂點向割縫移動。劉紅巖 等[11?12]研究了單一石膏充填節(jié)理巖體的應(yīng)力?應(yīng)變過程和變形特性。BAHAADDINI等[13]采用smooth joint模型系統(tǒng)研究了節(jié)理幾何產(chǎn)狀對試件破壞模式的影響，得到了5種不同破壞模式。蔣明鏡等[14]根據(jù)實驗提出無膠結(jié)厚度含抗轉(zhuǎn)動能力的巖石微觀膠結(jié)模型，植入離散元模擬了不同傾角雙裂紋巖石的裂紋演化宏微觀機(jī)理。巖石材料內(nèi)部預(yù)制節(jié)理及添加充填物均存在較大困難[6]，充填節(jié)理巖體的實驗及相關(guān)研究相對較少，少數(shù)研究也基本忽略節(jié)理厚度及充填物力學(xué)特性的影響。為此，本文作者針對充填節(jié)理特性的多變性展開研究，采用PFC數(shù)值軟件[7?9]，從巖石材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性出發(fā)，通過設(shè)置不同節(jié)理厚度、剛度及黏結(jié)強(qiáng)度研究節(jié)理特性對試件破壞機(jī)制的影響規(guī)律。同時研究節(jié)理對波速和波幅衰減的影響，得出波幅和波速隨節(jié)理的衰減變化規(guī)律。

1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/h2>

對于巖石類材料一般選用黏結(jié)模型，本次數(shù)值試驗選用接觸黏結(jié)模型[9]。試件模型長×寬為100 mm×50 mm，細(xì)觀參數(shù)選取以文獻(xiàn)[9]中室內(nèi)試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，并考慮到計算機(jī)計算效率和結(jié)果穩(wěn)定性，最終細(xì)觀參數(shù)選取如下：顆粒最小粒徑為0.2 mm，粒徑比為1.66，密度為2.63 g/cm3，顆粒接觸模量c為20 GPa，接觸剛度比為1.6，顆粒黏結(jié)強(qiáng)度服從正態(tài)分布，法向和切向黏結(jié)強(qiáng)度均值為55 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為15 MPa，顆粒摩擦因數(shù)為0.5。

試件模型中節(jié)理傾角設(shè)置為45°，長度為20 mm，節(jié)理幾何中心與試件中心重合，在二維情況下，顆粒剛度與接觸彈性模量關(guān)系[15]為：

k=2c，=1 (1)

s=n/(n/s) (2)

式中：n和s分別為顆粒法向和切向剛度。

數(shù)值模型中張開節(jié)理預(yù)制采用刪除節(jié)理范圍內(nèi)顆粒[7?9]；充填節(jié)理則采用編制fish函數(shù)設(shè)置處于節(jié)理面范圍內(nèi)顆粒或接觸的剛度、黏結(jié)強(qiáng)度為對應(yīng)工況下的數(shù)值來實現(xiàn)。定義節(jié)理剛度比為充填節(jié)理顆粒剛度與試件顆粒剛度的比值，節(jié)理強(qiáng)度比為節(jié)理顆粒黏結(jié)強(qiáng)度與試件顆粒黏結(jié)強(qiáng)度之比，試驗選取節(jié)理剛度比分別為0.500，0.100，0.050，0.010和0.001，節(jié)理厚度為0.3，0.8，1.3和2.0 mm，節(jié)理強(qiáng)度比為0.50，0.20，0.10和0.05。為對比分析，同時對完整試件和張開節(jié)理試件進(jìn)行壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力?應(yīng)變曲線

以上述數(shù)值模型為基礎(chǔ)，研究不同節(jié)理巖石單軸壓縮試驗的全過程應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可見：隨著節(jié)理剛度比下降，峰值強(qiáng)度不斷減小，充填節(jié)理峰值強(qiáng)度均比張開節(jié)理試件的大；隨著節(jié)理厚度增加，峰值強(qiáng)度不斷減小，但下降幅度逐漸減??；隨節(jié)理強(qiáng)度比下降，峰值強(qiáng)度不斷下降，強(qiáng)度比小于0.10后逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 試件宏觀力學(xué)參數(shù)

為了充填節(jié)理試件力學(xué)參數(shù)與完整及張開節(jié)理試件進(jìn)行對比分析，將完整試件、張開節(jié)理試件節(jié)理剛度比分別設(shè)為1和1×10?4。

(a) 節(jié)理厚度為0.8 mm時不同節(jié)理剛度比；(b) 節(jié)理剛度比為0.100時不同節(jié)理厚度；(c) 節(jié)理厚度為0.8 mm和剛度比為0.100時不同節(jié)理強(qiáng)度比

圖1 不同節(jié)理特性巖體典型的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

Fig. 1 Typical stress?strain curves for different joint features of rock mass

峰值強(qiáng)度變化如圖2(a)所示。由圖2(a)可見：隨著充填節(jié)理剛度比下降，峰值強(qiáng)度不斷減小，當(dāng)節(jié)理剛度比小于0.010后，逐漸趨于穩(wěn)定；節(jié)理剛度越小其抵抗壓剪破壞的作用越弱，尖端附近應(yīng)力集中程度逐漸增大，強(qiáng)度逐漸下降；充填節(jié)理厚度為0.3 mm，當(dāng)剛度比大于0.100時峰值強(qiáng)度變化較?。浑S著節(jié)理厚度增大，峰值強(qiáng)度對節(jié)理剛度比敏感性增強(qiáng)，下降速率突變點對應(yīng)的剛度比逐漸增大。峰值強(qiáng)度隨節(jié)理厚度增大而不斷減小，但減小幅度逐漸下降。

彈性模量變化規(guī)律見圖2(b)。由圖2(b)可見：彈性模量隨節(jié)理剛度比減小及節(jié)理厚度增大而不斷下降，節(jié)理剛度比越小、厚度越大則節(jié)理可壓縮性增加，試件整體剛度下降，相同應(yīng)力下軸向應(yīng)變增大，即導(dǎo)致彈性模量下降；當(dāng)節(jié)理剛度比較大時，彈性模量的下降值要遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度的下降值，與完整巖石相比，節(jié)理厚度為2.0 mm、剛度比為0.500的試件，峰值強(qiáng)度和彈性模量分別下降了19%和3%，充填節(jié)理對峰值強(qiáng)度的影響比彈性模量的大；當(dāng)節(jié)理剛度比小于0.010時，充填物對彈性模量的貢獻(xiàn)基本為零，與張開節(jié)理試件基本一致。

泊松比的變化規(guī)律見圖2(c)。由圖2(c)可見：含節(jié)理試件泊松比相比完整試件均大幅度提升，且隨節(jié)理厚度增加，泊松比不斷增大，當(dāng)節(jié)理厚度為2.0 mm時，泊松比相比完整試件增加了1倍左右；隨著節(jié)理剛度比減小，泊松比先升后降，之后逐漸趨于穩(wěn)定。軟弱節(jié)理由于黏結(jié)強(qiáng)度降低，局部顆粒間易發(fā)生劈裂破壞，加劇了試件的側(cè)向變形，導(dǎo)致試件宏觀表現(xiàn)為剪脹破壞。當(dāng)節(jié)理剛度比較小時，節(jié)理的可壓縮性較高，剪脹作用較小，相同軸向應(yīng)變下引起的側(cè)向變形相對較小，即泊松比較?。浑S著節(jié)理剛度比增大，節(jié)理的剪脹性增強(qiáng)，泊松比增大，完整試件由于不存在軟弱結(jié)構(gòu)面，泊松比最小。

起裂應(yīng)力變化見圖2(d)。由圖2(d)可見：充填節(jié)理起裂應(yīng)力均大于張開節(jié)理起裂應(yīng)力，隨節(jié)理剛度比減小、厚度增加，起裂應(yīng)力不斷下降。由于裂紋首先起裂于節(jié)理尖端[9]，因此，起裂應(yīng)力主要取決于節(jié)理尖端應(yīng)力集中系數(shù)。不同節(jié)理厚度下變化存在差異，當(dāng)節(jié)理剛度比為0.100，節(jié)理厚度分別為0.3 mm與2.0 mm的試樣，起裂應(yīng)力分別下降3%和33%。

表1所示為節(jié)理厚度為0.8 mm在不同節(jié)理強(qiáng)度比時的試件力學(xué)參數(shù)。由表1可知：隨節(jié)理黏結(jié)強(qiáng)度比減小，峰值強(qiáng)度不斷下降，起裂應(yīng)力呈小幅下降，相反泊松比不斷增大，彈性模量基本保持不變。

表1 不同節(jié)理黏結(jié)強(qiáng)度試樣宏觀力學(xué)參數(shù)

(a) 峰值強(qiáng)度；(b) 彈性模量；(c) 泊松比；(d) 起裂應(yīng)力節(jié)理厚度/mm：1—0.3；2—0.8；3—1.3；4—2.0。

圖2 試樣宏觀力學(xué)參數(shù)隨節(jié)理厚度和剛度比變化

Fig. 2 Variation curves of macro-mechanical properties of specimen with joint thickness and stiffness ratio

2.3 應(yīng)力集中及分布

在模型內(nèi)節(jié)理尖端設(shè)置測量圓對尖端應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，定義節(jié)理尖端應(yīng)力集中系數(shù)：

式中：1為試件平均應(yīng)力；tip為節(jié)理尖端應(yīng)力。

典型的應(yīng)力分布見圖3，圖3(a)所示試樣從左到右分別是節(jié)理厚度為1.3 mm、剛度比分別為0.500，0.010，0.001及張開節(jié)理試件，圖3(b)所示試樣從左至右分別是節(jié)理厚度為0.3，0.8和1.3 mm的試件力鏈圖，紅色代表張拉作用力，黑色表示壓剪作用力，線條粗細(xì)程度表示接觸力的大小。從圖3可以看出：

1) 當(dāng)節(jié)理剛度比較大時，沿節(jié)理方向出現(xiàn)輕微的壓剪應(yīng)力集中區(qū)，節(jié)理承擔(dān)了較大的壓剪作用力，應(yīng)力集中相對較弱，如節(jié)理剛度比為0.500且節(jié)理厚度小于等于0.8 mm時，均小于1.1；當(dāng)剛度比大于0.010時，隨節(jié)理厚度增加，節(jié)理承擔(dān)壓剪作用下降，造成不斷增大。

2) 隨節(jié)理剛度比減小，不斷增大，當(dāng)剛度比小于0.010時變化逐漸趨緩，且隨節(jié)理厚度增加呈下降趨勢，但變化逐漸減小。由于節(jié)理剛度比的下降，節(jié)理可壓縮性增加，節(jié)理處應(yīng)力分布逐漸減小，節(jié)理上部形成“橢圓狀”低壓剪應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域出現(xiàn)明顯的張拉應(yīng)力，逐漸由宏觀裂隙附近轉(zhuǎn)移到節(jié)理尖端附近，并向上發(fā)展，向下出現(xiàn)壓剪應(yīng)力集中區(qū)，對應(yīng)圖5中反翼裂紋及次生張拉裂紋的擴(kuò)展路徑。

3) 隨節(jié)理厚度增加，上側(cè)低應(yīng)力“橢圓區(qū)”逐漸增大，當(dāng)厚度大于0.8 mm時，該區(qū)域已接近試件上端，‘橢圓區(qū)’張拉應(yīng)力逐漸向上發(fā)展，下部壓剪作用力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致圖5中反翼裂紋擴(kuò)展更徹底。

綜上可知：試件內(nèi)壓剪應(yīng)力分布占主導(dǎo)，隨剛度比減小，不斷增大，節(jié)理充填物降低了尖端應(yīng)力集中，改變了應(yīng)力分布，導(dǎo)致試件破壞模式的不同。

根據(jù)應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出節(jié)理尖端切向應(yīng)力和法向應(yīng)力[9]。圖4所示為節(jié)理厚度1.3 mm試樣各應(yīng)力變化，峰值強(qiáng)度處大于1.5，節(jié)理尖端法向、切向應(yīng)力峰值均早于軸向應(yīng)力峰值出現(xiàn)，節(jié)理尖端損傷破裂發(fā)生在整體強(qiáng)度失穩(wěn)破壞之前。尖端應(yīng)力出現(xiàn)多個峰值，由于尖端應(yīng)力集中導(dǎo)致尖端附近局部顆粒鏈接首先斷裂并產(chǎn)生相互滑移，但此時尖端兩側(cè)顆?？箟耗芰^續(xù)增加，表現(xiàn)為尖端應(yīng)力迅速下降，軸向應(yīng)力繼續(xù)增加，之后尖端顆粒相互咬合及庫侖摩擦作用使得其抗剪能力繼續(xù)增加，證明了尖端破壞是漸進(jìn)式的，尖端應(yīng)力連續(xù)出現(xiàn)循環(huán)波動直至試件破壞。

(a) 不同節(jié)理剛度比力鏈圖；(b) 不同節(jié)理厚度力鏈圖；(c) 尖端應(yīng)力集中系數(shù)隨節(jié)理特性變化

圖3 應(yīng)力集中系數(shù)及應(yīng)力分布隨節(jié)理特性變化

Fig. 3 Stress concentration factor and stress distribution of rock specimen for different joint features

2.4 微裂紋發(fā)展分布

不同節(jié)理特性試件裂紋分布見圖5，其中圖5(b)和5(c)所示試樣從左至右節(jié)理剛度比逐漸降低，圖5(d)所示為節(jié)理強(qiáng)度比為0.50和0.05時的試樣裂紋分布。圖中紅色代表剪切裂紋，黑色代表張拉裂紋，對微裂紋進(jìn)行統(tǒng)計得：各個工況下剪切裂紋與張拉裂紋數(shù)量比為1.7~4.9，剪切裂紋占明顯優(yōu)勢。

1) 節(jié)理改變了試件的破壞軌跡，完整試樣整體損傷破壞程度更大，裂紋數(shù)量多且端部效應(yīng)顯著，節(jié)理試樣為翼裂紋主導(dǎo)的拉剪破壞，微裂紋以節(jié)理尖端為突破口，發(fā)展為翼裂紋，并逐漸向試件外側(cè)擴(kuò)展[9]，節(jié)理厚度較小時起裂角約20°。隨節(jié)理厚度增加，起裂角逐漸增大，端部效應(yīng)逐漸消失。

1—tip；2—1；3—n；4—。

圖4 典型節(jié)理尖端應(yīng)力變化曲線

Fig. 4 Typical variation curves of stress at joint tip

2) 節(jié)理厚度為0.3 mm且剛度比較大時，節(jié)理下尖端產(chǎn)生貫穿試件底部的反翼裂紋，隨節(jié)理剛度比減小，反翼裂紋逐漸消失，但上端逐漸出現(xiàn)起裂角大于100°的張剪復(fù)合型反翼裂紋，向外部貫穿試件，節(jié)理兩側(cè)微裂紋逐漸減少，與低應(yīng)力“橢圓區(qū)”相關(guān)。當(dāng)節(jié)理厚度大于0.3 mm且剛度比較小時，節(jié)理上尖端產(chǎn)生張拉次生裂紋，向上發(fā)展逐漸與主應(yīng)力方向平行，這是“橢圓區(qū)”內(nèi)張拉應(yīng)力造成的。

3) 相比充填節(jié)理，張開節(jié)理試件反翼裂紋貫通更徹底，微裂紋分布更集中。隨節(jié)理黏結(jié)強(qiáng)度比減小，試件損傷破壞程度減輕，端部效應(yīng)減弱。

綜上可知：試件以剪切破壞為主，隨節(jié)理剛度比減小，張拉裂紋所占比例逐漸增大，裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力分布直接相關(guān)，試件由翼裂紋貫通破壞向翼裂紋主導(dǎo)與反翼裂紋共同作用變化，隨節(jié)理弱化，整體損傷破壞程度及端部效應(yīng)逐漸減弱，局部破壞加劇。

2.5 能量變化分析

能量變化是巖石各物理力學(xué)參數(shù)變化的誘因和本質(zhì)特征[16]，各能量變化規(guī)律見表2。

(a) 完整試件；(b) 充填節(jié)理厚度為0.3 mm；(c) 充填節(jié)理厚度為0.8 mm；(d) 不同黏結(jié)強(qiáng)度比

圖5 試件微裂紋發(fā)展分布

Fig. 5 Distribution of micro cracks in specimen

表2 能量隨節(jié)理特性的變化規(guī)律

邊界能即試件破壞所需做的功，由表2可知：邊界能隨節(jié)理剛度比減小而下降，逐漸趨近張開節(jié)理試件，相比完整試件下降43%；隨節(jié)理厚度增加、黏結(jié)強(qiáng)度減小，邊界能不斷減小，后者對邊界能影響相對較小。邊界能越小試件越容易失穩(wěn)破壞，因此，隨節(jié)理特性弱化，試件越容易失穩(wěn)破壞。

應(yīng)變能即試件在加載過程中所積累的可釋放的能量，與應(yīng)力應(yīng)變乘積呈正比。應(yīng)變能極值一般發(fā)生在峰值強(qiáng)度附近，是驅(qū)動峰后裂隙擴(kuò)展的源動力，反映了試件峰后損傷破壞的劇烈程度及為巖爆的評估提供依據(jù)[16]。應(yīng)變能極值隨節(jié)理特性弱化不斷下降，且下降幅度較大；隨節(jié)理厚度增加其敏感性逐漸減弱，下降幅度放緩，節(jié)理厚度大于1.3 mm時敏感性基本保持不變；相比完整試樣，含節(jié)理試樣應(yīng)變能均較小，尤其是張開節(jié)理試樣，決定了節(jié)理試樣峰后損傷破壞程度要比完整試樣的小。

摩擦能是黏結(jié)顆粒在外力作用下相互滑移的結(jié)果，摩擦能相對邊界能和應(yīng)變能較小，總體隨節(jié)理弱化不斷下降。顆粒動能波動性較大，變化規(guī)律性較差，相比其他能量，顆粒動能極小，可認(rèn)為對試件的破壞過程影響相對較小。

2.6 波傳播規(guī)律研究

顆粒流通過顆粒相互作用模擬波傳播反映巖石材料的本質(zhì)特性，是基于離散介質(zhì)力學(xué)從細(xì)觀尺度上認(rèn)識離散介質(zhì)的波動過程[17?18]。TRENT等[17?18]通過離散元模擬了膠結(jié)材料波的傳播過程。SADD等[19]采用橢圓形顆粒研究了波的傳播和衰減規(guī)律。

在模型內(nèi)設(shè)置激發(fā)源和接收器如圖6(a)所示，通過對激發(fā)源內(nèi)顆粒施加剪切振動或壓縮正弦速度脈沖，利用顆粒擾動來模擬P波、S波傳播。不同時刻剪切波速度分布見圖6(b)~(d)，當(dāng)=1.25 μs，激發(fā)源速度達(dá)到首個峰值；當(dāng)=19.1 μs，波前到達(dá)節(jié)理下端；=37.5 μs時剪切波首次到達(dá)接收器，由于節(jié)理阻礙波能量的傳播，節(jié)理上部速度場分布明顯較小，接收器速度幅值下降。在剪切波的傳播過程中，試件中部速度場基本沿軸傳播，但靠近試件兩側(cè)速度場基本沿軸方向，使速度場呈旋渦狀分布。

(a) 試件模型；(b)=1.25 μs；(c)=19.1 μs；(d)=37.5 μs

圖6 試樣模型及波的傳播過程

Fig. 6 Model of specimen and wave propagation

波在節(jié)理處發(fā)生反射和透射，定義透射系數(shù)為

=joint/(4)

式中：joint為節(jié)理透射波波幅；為無節(jié)理波幅。

波傳播參數(shù)變化規(guī)律統(tǒng)計見表3。隨著節(jié)理特性變化，縱橫波速變化較小。波在節(jié)理處發(fā)生反射，導(dǎo)致透射波幅下降。相比縱波，橫波透射系數(shù)受節(jié)理變化較敏感，變化幅度較大，如節(jié)理剛度比為0.500試樣，縱橫波透射系數(shù)分別為0.61和0.44。與張開節(jié)理相比，充填節(jié)理透射系數(shù)明顯較大，但隨節(jié)理厚度增加，充填物對節(jié)理透射系數(shù)貢獻(xiàn)逐漸減小，與張開節(jié)理相比，當(dāng)節(jié)理厚度為0.3 mm時，充填節(jié)理P波、S波透射系數(shù)分別增加0.34和0.29；當(dāng)節(jié)理厚度為2.0 mm時，充填節(jié)理P波、S波透射系數(shù)分別增加0.12和0.02；充填節(jié)理透射系數(shù)受節(jié)理厚度影響較大，隨厚度增加變化幅度較大，節(jié)理厚度從0.3 mm增加到2.0 mm，充填節(jié)理P波、S波透射系數(shù)分別減小0.27和0.34，張開節(jié)理P波、S波透射系數(shù)分別減小0.05和0.07。

圖7所示為完整試件、節(jié)理厚度為0.3 mm試件P波透射波時程曲線，充填節(jié)理、張開節(jié)理透射系數(shù)分別為0.67和0.41，張開節(jié)理透射波頻率要比充填節(jié)理試件和完整試件的小，因此，顆粒流模擬能同時反映頻率的變化。對于張開節(jié)理，P波透射波前半周期幅值較大，S波則后半周期幅值較大；充填節(jié)理P波和S波幅值均是后半周期較大。

表3 波速與衰減隨節(jié)理特性的變化規(guī)律

1—完整試樣；2—充填節(jié)理；3—張開節(jié)理。

圖7 不同狀態(tài)下透射波

Fig. 7 Transmitted waves under different conditions

總體而言，非貫通節(jié)理對波幅的影響遠(yuǎn)比對波速的影響大。與張開節(jié)理相比，充填節(jié)理透射系數(shù)較大，且隨節(jié)理厚度增加衰減更快。與縱波相比，橫波透射系數(shù)受節(jié)理變化更敏感，波幅隨節(jié)理弱化衰減更快。

3 結(jié)論

1) 峰值強(qiáng)度、彈性模量、起裂應(yīng)力隨節(jié)理厚度增加、剛度比減小而不斷下降，泊松比隨節(jié)理厚度增加而大幅度上升，黏結(jié)強(qiáng)度對彈性模量、起裂應(yīng)力影響較小，峰值強(qiáng)度受節(jié)理的影響比受彈性模量和起裂應(yīng)力的影響大。

2) 與張開節(jié)理相比，由于充填物降低了尖端應(yīng)力集中系數(shù)，導(dǎo)致充填節(jié)理試樣宏觀力學(xué)參數(shù)均較大，并隨節(jié)理剛度比下降，其力學(xué)參數(shù)不斷減小，應(yīng)力集中系數(shù)增大，應(yīng)力集中隨節(jié)理厚度變化受節(jié)理剛度比影響。

3) 隨節(jié)理弱化，試件整體損傷破壞程度降低，局部破壞加劇，破壞模式發(fā)生改變，張拉裂紋所占比例逐漸增大，試件破壞所需能量均減小，反映了力學(xué)參數(shù)弱化的本質(zhì)特征。

4) 節(jié)理對波幅影響遠(yuǎn)比對波速的影響大，與張開節(jié)理相比，充填節(jié)理透射系數(shù)較大，且隨節(jié)理厚度增加衰減幅度較大。與縱波相比，橫波透射系數(shù)對節(jié)理更加敏感，隨節(jié)理弱化衰減更快。

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(編輯 楊幼平)

Influence of joint features on mechanical properties of rock mass

ZHANG Guokai, LI Haibo, XIA Xiang, LI Nana, CHAI Shaobo

(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

The uniaxial compression test was performed by particle flow code to study the influence of joint features on the macro mechanical properties, energy and wave propagation. Simultaneously, the mechanisms of crack evolution and failure modes were illustrated. Mesoscopic stiffness ratio and strength ratio were defined to reflect mechanical features of joint. The results show that with the increase of joint thickness and the decrease of joint stiffness ratio, ultimate strength, elastic modulus and crack-initiation stress all decrease. On the contrary, Poisson ratio increases a lot with the increase of joint thickness. However, joint strength ratio only has an effect on ultimate strength. Compared with open joint, joint fillings reduce the stress concentrations at joint tips and increase the macro mechanical parameters of specimens which gradually approach the former with the decrease of joint stiffness. These all lead to the changes of damage degree and failure modes. Numerical simulation of transverse and longitudinal wave propagation was implemented by setting a transmitter and receiver in the model and applying a velocity pulse to the transmitter. The effect of joint on the amplitude attenuation is much larger than wave velocity. The transmission coefficient of filling joint is much bigger than that of open joint. Compared with longitudinal wave, transverse wave produces more amplitude attenuation.

particle flow code; uniaxial compression; joint features; mechanical properties of rock mass; wave propagation

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.031

TU451

A

1672?7207(2016)12?4198?08

2015?12?30；

2016?04?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51439008, 41572307, 51209200)(Projects(51439008, 41572307, 51209200) supported by the National Natural Science Foundation of China)

張國凱，博士研究生，從事巖石動力學(xué)實驗和數(shù)值模擬研究；E-mail：zhangguokai12@163.com