于利強(qiáng)，姚強(qiáng)嶺，徐 強(qiáng)，王偉男，牛志軍，劉偉冬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116 )

巖體的力學(xué)特性是巖石工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算的重要參數(shù)[1]，由于長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用，天然狀態(tài)下的巖石中廣泛存在著節(jié)理、裂隙、結(jié)構(gòu)面等缺陷[2]。巖體工程的失穩(wěn)破壞往往是在載荷作用下原生或次生裂隙不斷閉合、起裂、擴(kuò)展、貫通并最終導(dǎo)致巖石材料失穩(wěn)破壞的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程[3-5]。因此，開(kāi)展裂隙參數(shù)對(duì)巖石材料在單軸壓縮條件下裂紋擴(kuò)展、破壞模式影響的研究，有利于評(píng)價(jià)巖石的損傷程度，并具有重要的工程意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)含預(yù)制裂隙的巖石材料進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究。楊圣奇等[6]對(duì)裂隙大理巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了裂隙傾角、巖橋傾角、裂隙間距、裂隙長(zhǎng)度、裂隙數(shù)目等參數(shù)對(duì)試樣變形破壞特征的影響規(guī)律。LI等[7]通過(guò)鉆孔切割法在巖石試樣上預(yù)制裂隙，研究了其裂紋擴(kuò)展過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)了2種新生裂紋。BOBET等[8]利用石膏材料制作雙裂隙試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀(guān)察裂隙錯(cuò)動(dòng)、次生裂紋萌生以及貫通規(guī)律，并分析了試樣破壞模式與預(yù)制裂隙分布的關(guān)系。HUANG等[9]在研究巖石裂隙擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了5種裂紋擴(kuò)展路徑及相應(yīng)的破壞模式。HAERI等[10]對(duì)裂隙砂巖試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)并提出了9種裂紋類(lèi)型，用于研究裂紋的聚結(jié)和破壞模式。ZHOU等[11]以含雙裂隙和多裂隙的試樣為研究對(duì)象，闡述了5種裂紋類(lèi)型特征，并根據(jù)其演化過(guò)程，總結(jié)了10種裂紋聚結(jié)方式，為分析巖樣裂紋演化機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

盡管實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確觀(guān)察并記錄巖樣表面裂紋變化過(guò)程，但由于巖石材料是各種礦物顆粒的集合體[12]，影響其力學(xué)性質(zhì)及裂紋擴(kuò)展的因素較為復(fù)雜，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)手段很難獲取其全部信息。因此，基于顆粒流理論的PFC數(shù)值模擬方法成為研究巖石力學(xué)性質(zhì)的常用手段之一。田文嶺等[13]采用PFC顆粒流程序?qū)α严渡皫r試樣的破裂過(guò)程進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)試樣的極限破壞模式以劈裂破壞和剪切破壞為主。SARFARAZI等[14]利用PFC軟件模擬了裂隙正方形試樣的剪切破壞過(guò)程，結(jié)果表明：巖橋傾角和剪切強(qiáng)度對(duì)試樣破壞模式影響顯著。HUANG等[15]對(duì)含貫通裂隙的類(lèi)巖石試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)及PFC數(shù)值模擬，研究?jī)A角和裂隙長(zhǎng)度對(duì)破壞模式的影響，發(fā)現(xiàn)裂隙類(lèi)巖石試件的破壞主要是由次級(jí)裂紋的擴(kuò)展引起的，而不是翼形裂紋。

目前針對(duì)裂紋擴(kuò)展的觀(guān)測(cè)，大多采用攝影監(jiān)測(cè)技術(shù)，但實(shí)際上裂紋演化是三維的，傳統(tǒng)方法無(wú)法量化表征其破裂過(guò)程[1]。因此，聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)被廣泛用于裂縫無(wú)損檢測(cè)和損傷評(píng)估中[16-17]，它能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)煤巖體內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程，并逐漸成為一種有效的度量方法。EBERHARDT等[18]采用聲發(fā)射技術(shù)研究了花崗巖的破壞過(guò)程，提出顯著聲發(fā)射事件出現(xiàn)或聲發(fā)射特征參數(shù)突增往往對(duì)應(yīng)于微裂紋的起裂。趙興東等[19]利用聲發(fā)射定位技術(shù)表征了巖石試樣微裂紋起裂、擴(kuò)展以及貫通過(guò)程的三維空間演化規(guī)律。LIU等[20]采用聲發(fā)射技術(shù)和攝影監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，進(jìn)一步的闡述了單軸壓縮條件下裂紋的聚結(jié)和試樣的破壞過(guò)程。

已有成果多是研究單一加載條件下不同幾何裂隙參數(shù)對(duì)于巖石類(lèi)材料強(qiáng)度破壞特征及裂紋演化規(guī)律的影響。但實(shí)際上，工程施工、荷載、構(gòu)造擠壓等誘發(fā)的巖石載荷速率的變化[21-22]，對(duì)裂隙巖石的裂紋擴(kuò)展及破壞模式等也產(chǎn)生重要影響，而這方面的研究則鮮有報(bào)道。因此，筆者結(jié)合前人的研究成果，以巖體工程中常見(jiàn)的細(xì)砂巖為研究對(duì)象，預(yù)制0°～90°的貫通裂隙，通過(guò)進(jìn)行不同加載速率的單軸壓縮試驗(yàn)，采用聲發(fā)射技術(shù)和攝影監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)裂隙砂巖試樣的破裂過(guò)程進(jìn)行分析。同時(shí)，基于顆粒流理論對(duì)裂隙巖樣進(jìn)行PFC數(shù)值模擬，深入探索加載速率和裂隙傾角對(duì)于砂巖試樣裂紋演化和破壞模式的影響。研究成果可為巖體工程中裂隙巖石破壞機(jī)制的揭示及災(zāi)害控制方法的制定提供理論參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

試驗(yàn)對(duì)象采用細(xì)砂巖，取自四川省綿陽(yáng)市堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬層狀砂礫巖與泥巖互層巖巖組，屬下侏羅白田壩組，在巖體工程中比較常見(jiàn)，符合本次巖體工程失穩(wěn)破壞分析與研究的工程背景。原巖樣品根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)規(guī)范[23]和DZ/T 0276.25—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》[24]的要求，加工成50 mm×50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體試樣，試樣中央采用中心鉆孔法[25]預(yù)制1條貫通裂隙，如圖1所示。

預(yù)制裂隙包括裂隙長(zhǎng)度2a、裂隙寬度d和裂隙傾角α三個(gè)參數(shù)。其中，裂隙長(zhǎng)度、裂隙寬度保持不變： 2a=10 mm，d=1 mm，裂隙傾角以15°為梯度在0°～90°內(nèi)取值：α=0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°,C(無(wú)裂隙)。將巖樣按照加載速率-裂隙傾角-塊數(shù)來(lái)進(jìn)行命名，如0.05-15°-1代表加載速率為0.05 mm/s的、含15°裂隙傾角的第1塊裂隙砂巖試樣，一共40組，每組3塊，總計(jì)120塊。

圖1 裂隙布置Fig.1 Crack layout

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

為達(dá)到控制變量的目的，確保試驗(yàn)巖樣具有相同的含水率，根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程DZ/T 0276.2—2015[24]的要求，采用鼓風(fēng)干燥箱(上海儀器廠(chǎng)，101-2型)對(duì)巖樣進(jìn)行干燥，干燥溫度設(shè)置為105 ℃，烘干12 h。加載系統(tǒng)采用微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司，WDW-300型)，對(duì)巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，按位移加載，加載速率分別為0.01，0.05，0.10，0.50，1.00 mm/s。巖樣壓縮過(guò)程中，采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(美國(guó)聲學(xué)物理公司PAC，PCI-Ⅱ型)對(duì)其聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射的定位監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)降低探頭布置對(duì)試樣表面裂紋觀(guān)測(cè)的影響，分別在試樣的4個(gè)表面各布置一個(gè)探頭，測(cè)試系統(tǒng)及聲發(fā)射探頭布置如圖2所示。

圖2 巖石力學(xué)及聲發(fā)射參數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.2 Principle diagram of rock mechanics and acoustic emission parameter test system

2 細(xì)砂巖試樣裂紋演化及破壞特征

2.1 裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析

裂隙砂巖試樣的裂紋發(fā)育、擴(kuò)展在其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上都有所體現(xiàn)[26]。一般情況下，裂紋的發(fā)育往往會(huì)引起應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的異常波動(dòng)。本節(jié)以加載速率0.05 mm/s的試件為例，選取部分典型巖樣，對(duì)其裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析,如圖3所示。

α=0°砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及裂紋擴(kuò)展情況如圖3(a)所示。巖樣先后經(jīng)歷裂隙壓密階段(σ=1.47 MPa)和彈性變形階段，但由B點(diǎn)(σ=18.64 MPa)可知，巖樣壓縮過(guò)程中，其預(yù)制貫通裂隙并未被壓密，產(chǎn)生壓密效果的僅為其內(nèi)部缺陷。隨著載荷的增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到C點(diǎn)(σ=25.91 MPa)時(shí)，預(yù)制裂隙尖端和中間位置分別產(chǎn)生向上和向下的拉伸裂紋，并引起應(yīng)力的小幅較低。同時(shí)，由于巖石支撐結(jié)構(gòu)的損傷，曲線(xiàn)的切線(xiàn)模量Ea由B點(diǎn)的1.72 GPa降低到1.24 GPa。隨后，應(yīng)力繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到D點(diǎn)(σ=25.06 MPa)時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)大幅度應(yīng)力降，但巖樣強(qiáng)度并未完全失效，巖樣表面裂紋迅速擴(kuò)展，并延伸至其上表面。當(dāng)應(yīng)力再次增加到E點(diǎn)(σ=19.53 MPa)時(shí)，巖樣表面沿預(yù)制裂隙左尖端形成新的剪切裂紋，并迅速貫通上下表面，同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的爆裂聲，應(yīng)力驟降至0水平上下。至此，巖樣發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞，強(qiáng)度失效。

α=15°砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及裂紋擴(kuò)展情況如圖3(b)所示。α=15°巖樣的裂紋擴(kuò)展過(guò)程與α=0°巖樣規(guī)律相似，在峰前和峰后均有應(yīng)力降發(fā)生，且每次應(yīng)力降均伴隨著裂紋的起裂或快速擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到22.75 MPa(B點(diǎn))時(shí)，巖樣預(yù)制裂隙附近初次產(chǎn)生拉伸裂紋，應(yīng)力達(dá)到32.19 MPa(C點(diǎn))時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)大幅應(yīng)力降，巖樣表面拉伸裂紋快速擴(kuò)展，同時(shí)在先前出現(xiàn)的裂紋附近萌生一些新的裂紋。經(jīng)歷應(yīng)力降后，當(dāng)應(yīng)力再次達(dá)到24.41 MPa(D點(diǎn))時(shí)，由于剪切裂紋貫通巖樣上下表面，巖樣發(fā)生整體結(jié)構(gòu)性破壞。

α=60°的砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及裂紋擴(kuò)展情況如圖3(e)所示。與上述巖樣不同，該巖樣曲線(xiàn)的應(yīng)力降主要出現(xiàn)在峰值附近，峰前和峰后階段基本無(wú)應(yīng)力降出現(xiàn)。應(yīng)力達(dá)到49.97 MPa之前，未發(fā)現(xiàn)有明顯裂紋產(chǎn)生。當(dāng)曲線(xiàn)到達(dá)C點(diǎn)，預(yù)制裂隙尖端首先產(chǎn)生次級(jí)剪切裂紋，裂紋寬度較小，并沿與預(yù)制裂隙近似平行方向擴(kuò)展。應(yīng)力達(dá)到51.14 MPa(D點(diǎn))時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)波動(dòng)，先前產(chǎn)生的次級(jí)裂紋寬度增加，同時(shí)，在預(yù)制裂隙下部尖端產(chǎn)生新的次級(jí)剪切裂紋，方向與預(yù)制裂隙垂直。繼續(xù)加載，在經(jīng)歷較小應(yīng)變后，巖樣應(yīng)力驟降為0水平，巖樣表面出現(xiàn)大面積剝落，剪切裂紋穿過(guò)預(yù)制裂隙，并貫通巖樣，巖樣完全破壞。

α=90°的砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及裂紋擴(kuò)展情況如圖3(g)所示。巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)較光滑，加載過(guò)程中曲線(xiàn)未出現(xiàn)鋸齒狀或其他波動(dòng)，惟一的應(yīng)力降發(fā)生在峰值處。由圖3(g)可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在62.57 MPa(C點(diǎn))附近已經(jīng)表現(xiàn)出非線(xiàn)性變化，割線(xiàn)模量Ea由3.88 GPa降低到2.78 GPa，但在巖樣表面未觀(guān)察到明顯的裂紋萌生及擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值64.05 MPa(D點(diǎn))時(shí)，巖樣積聚的彈性能在一瞬間突然釋放，表面出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋，并分別沿預(yù)制裂隙上下階段發(fā)育，迅速貫通上下表面。曲線(xiàn)應(yīng)力值在一瞬間降低為0水平，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性特征。

完整砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及裂紋擴(kuò)展情況如圖3(h)所示。由圖3(h)可知，完整巖樣的加載破壞過(guò)程與α=90°巖樣的相似，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)較光滑，峰前階段無(wú)應(yīng)力降出現(xiàn)，首次也即惟一應(yīng)力降出現(xiàn)在峰值處。壓縮過(guò)程中，受加載位移影響，巖樣橫向尺寸明顯增大(B點(diǎn))，但未發(fā)現(xiàn)有裂紋萌生。應(yīng)力達(dá)到66.61 MPa(C點(diǎn))后，迅速發(fā)生失穩(wěn)破壞，并伴隨劇烈聲響。

綜合上述分析，并對(duì)比圖3(a)～(h)不難看出，裂隙巖樣在壓縮過(guò)程中，裂紋起裂位置受α影響明顯。當(dāng)α較小時(shí)，如α=0°或15°，初始裂紋萌生位置主要在預(yù)制裂隙中間位置，隨著α的增加，初始裂紋的萌生位置則向預(yù)制裂隙兩尖端發(fā)展。當(dāng)α接近90°時(shí)，如α=75°或90°，初始裂紋萌生位置不與預(yù)制裂隙相連的概率增大。與此同時(shí)，α=0°～90°內(nèi)，巖樣初始裂紋起裂應(yīng)力分別為25.91，32.19，48.42，45.35，49.97，43.74，62.58 MPa，即隨著α的增大，初始裂紋的起裂應(yīng)力也即應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)首次應(yīng)力將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力逐漸升高，如圖4所示。這意味著，裂隙巖樣的裂紋起裂或裂紋快速擴(kuò)展階段逐漸向峰值靠近。此外，受不同裂隙傾角α的影響，巖樣壓縮過(guò)程中萌生的裂紋數(shù)量也有所不同，這也反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上。α較低時(shí)，巖樣在完全破壞前會(huì)產(chǎn)生較多裂紋，這些裂紋的寬度較小，且大多數(shù)沿應(yīng)力加載方向擴(kuò)展。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上也在峰值和峰后出現(xiàn)多次應(yīng)力降，如圖3(a)，(b)所示。隨著α的增加，巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸光滑，在峰前階段出現(xiàn)應(yīng)力降的頻率降低，巖樣產(chǎn)生的裂紋數(shù)量減少，且主要集中在峰值附近。尤其是當(dāng)α=90°時(shí)，其裂紋擴(kuò)展過(guò)程和破壞方式與完整巖樣最為相似，峰前階段基本無(wú)裂紋萌生。

圖3 典型試樣裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between crack growth and stress-strain curves in typical samples

圖4 巖樣裂紋起裂應(yīng)力與裂隙傾角的關(guān)系Fig.4 Relationship between crack initiation stress and angle

2.2 裂隙巖樣裂紋演化與破壞模式分析

巖石在載荷作用下逐漸積聚能量，并在達(dá)到其臨界值時(shí)通過(guò)產(chǎn)生新的裂紋進(jìn)行釋放。巖樣的最終破壞模式往往取決于其產(chǎn)生的裂紋類(lèi)型。從本質(zhì)上講，巖樣壓縮破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生2種主要裂紋：拉伸或翼形裂紋和剪切或次級(jí)裂紋[27]。一般情況下，翼形裂紋較早出現(xiàn)，屬于拉伸性質(zhì)，次級(jí)裂紋出現(xiàn)時(shí)間較晚，屬于剪切性質(zhì)。本次試驗(yàn)中，共觀(guān)察到了5種裂紋：翼形裂紋、反抗拉裂紋、共面次級(jí)裂紋、非共面次級(jí)裂紋、橫向裂紋[20]，如圖5所示。

圖5 裂紋萌生類(lèi)型Fig.5 Crack initiation type

圖6為裂隙傾角影響下的巖樣裂紋發(fā)育情況，主要宏觀(guān)裂紋用黑色粗線(xiàn)標(biāo)記，次要裂紋用藍(lán)色細(xì)線(xiàn)標(biāo)記，裂紋類(lèi)型分別用數(shù)字1～6表示。由圖6可知，巖樣的破壞往往是由多種裂紋類(lèi)型組合而成，以0.05-15°巖樣為例，它的破壞特征包含翼形裂紋、反抗拉裂紋、次級(jí)裂紋以及遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋等多種類(lèi)型，破壞模式具有明顯的剪切特征。以上裂紋類(lèi)型的特征總結(jié)如下：在所有傾角的裂隙巖樣中，拉伸裂紋一般作為首個(gè)裂紋出現(xiàn)，翼形裂紋是其最主要的宏觀(guān)表現(xiàn)形式，但拉伸裂紋往往并不是導(dǎo)致巖樣最終破壞的原因。以0.01-0°巖樣為例，隨著應(yīng)力的增加，翼形裂紋和反抗拉裂紋發(fā)育過(guò)程中逐漸演化成共面和非共面次級(jí)裂紋，并最終導(dǎo)致巖樣的共軛剪切破壞。反抗拉裂紋是一種特殊的拉伸裂紋，常在拉伸破壞的巖樣中與翼形裂紋伴隨出現(xiàn)，如0.01-30°～45°，很少單獨(dú)出現(xiàn)并作為巖樣的主要宏觀(guān)裂紋。共面次級(jí)裂紋是巖樣形成剪切破壞的主要表現(xiàn)形式，在α≤30°時(shí)出現(xiàn)頻率較大，尤其是純剪切破壞的巖樣中，如0.01-15°和0.05-15°。非共面次級(jí)裂紋則在α=75°時(shí)出現(xiàn)較多，如0.01-75°。此外，當(dāng)α=75°～90°時(shí)，出現(xiàn)了橫向裂紋，該裂紋自預(yù)制裂隙尖端起裂，沿垂直于應(yīng)力加載方向發(fā)展，但并未發(fā)展到巖樣邊界，而是最終轉(zhuǎn)變成其他裂紋或匯集到其他主要裂紋中，如0.01-75°。

根據(jù)本次試驗(yàn)觀(guān)察可知，加載速率對(duì)巖樣的裂紋萌生類(lèi)型同樣產(chǎn)生明顯影響。以α=0°砂巖試樣為例，在不同加載速率下其裂紋演化特征如圖7所示。加載速率較低時(shí)，如s=0.01～0.05 mm/s，在荷載作用下，預(yù)制裂隙尖端首先產(chǎn)生翼形裂紋，并隨著應(yīng)力增加，翼形轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)裂紋或被其他次級(jí)裂紋取代。而隨著加載速率的升高，反抗拉逐漸成為巖樣的主要宏觀(guān)裂紋，并直接影響巖樣的最終破壞模式。如：s=0.1～0.5 mm/s時(shí)，拉伸裂紋的主要表現(xiàn)形式變?yōu)橐硇瘟鸭y和反抗拉裂紋的混合，且不再向剪切裂紋轉(zhuǎn)變。當(dāng)加載速率達(dá)到最高水平時(shí)，s=1.0 mm/s，巖樣表面僅產(chǎn)生反抗拉裂紋，并且直接促使巖樣的失穩(wěn)破壞，呈現(xiàn)出明顯的拉伸特征。此外，結(jié)合所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括未展示出的巖樣)，加載速率的升高促使巖樣表面裂紋數(shù)目減少，僅顯示出導(dǎo)致巖樣最終破壞的主要裂紋。根據(jù)前人研究成果可知，這主要是由于低加載速率下，試樣內(nèi)部缺陷以及預(yù)制裂隙有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行緩慢地?cái)U(kuò)展，發(fā)育得較為充分，因此表面生成裂紋較多；而高加載速率下，裂隙的發(fā)育與顆粒重排列時(shí)間減少，試樣內(nèi)部缺陷及預(yù)制裂隙來(lái)不及進(jìn)行充分發(fā)育[29]，具體則表現(xiàn)在宏觀(guān)裂紋數(shù)目的降低上。

除裂紋的萌生類(lèi)型外，裂隙巖石的極限破壞模式也是研究熱點(diǎn)之一。據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同加載速率及裂隙傾角的影響下，巖樣的極限破壞模式主要有剪切破壞、拉伸破壞、剪切/拉伸混合破壞3種類(lèi)型。根據(jù)裂紋起裂機(jī)理及發(fā)展軌跡，并參考LIU[20]的分類(lèi)方法，可將其細(xì)化分為T(mén)型(T1，T2，T3，T4)、S型(S1，S2，S3)以及M型(M1，M2)等共3類(lèi)9種破壞模式，如圖8所示。T型破壞屬于拉伸性質(zhì)。其中，T1與T2分別為翼形裂紋或反抗拉裂紋自預(yù)制裂隙尖端起裂，并貫通巖樣上下表面導(dǎo)致其拉伸破壞。

圖6 不同裂隙傾角巖樣裂紋發(fā)育Fig.6 Crack development diagram of rock samples with different crack inclinations

圖7 不同加載速率巖樣裂紋發(fā)育Fig.7 Crack development of rock samples at different loading rates

T3為T(mén)1與T2的混合，即巖樣壓縮破壞中同時(shí)產(chǎn)生翼形裂紋和反抗拉裂紋并最終貫通破壞，這種破壞模式在巖樣拉伸破壞中最容易出現(xiàn)，尤其是當(dāng)α=30°～60°時(shí)。T4是一種特殊的拉伸破壞模式，巖樣壓縮時(shí)，拉伸裂紋起裂于預(yù)制裂隙一個(gè)尖端或一側(cè)，并一直延伸到巖樣上下表面，這種破壞模式在高加載速率下出現(xiàn)較多，如1.0-30°和1.0-90°巖樣。S型破壞屬于剪切性質(zhì)，根據(jù)其產(chǎn)生的裂紋類(lèi)型(共面次級(jí)裂紋與非共面次級(jí)裂紋)亦可分為S1，S2，S3等3種類(lèi)型。受加載速率影響，純剪切性質(zhì)的破壞模式多出現(xiàn)在低加載速率下(如0.01 mm/s)，而S1則是最為常見(jiàn)的剪切破壞類(lèi)型，如0.01-15°和0.01-60°巖樣。M型為拉伸/剪切混合破壞模式，由于不同拉伸或剪切裂紋的混合，M型破壞可呈現(xiàn)出較多的形式。根據(jù)本次試驗(yàn)觀(guān)察，翼形裂紋與非共面次級(jí)裂紋或反抗拉裂紋與共面次級(jí)裂紋互相混合導(dǎo)致巖樣發(fā)生剪切/拉伸混合破壞的概率最大，其呈現(xiàn)出的破壞特征如M1和M2所示。

圖8 裂隙巖樣破壞模式Fig.8 Fracture sample failure pattern diagram

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，不同加載速率及裂隙傾角影響下的巖樣的極限破壞模式結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可知，α=0°～15°時(shí)，巖樣主要呈現(xiàn)出剪切破壞，隨著α的增加，巖樣的破壞模式向拉伸破壞過(guò)渡，如α=30°～60°時(shí)，破壞模式多呈現(xiàn)出M型或T型特征。當(dāng)α接近90°時(shí)，如α=75°～90°，其破壞模式則與完整巖樣相似，更傾向于T型破壞。此外，加載速率對(duì)巖樣破壞模式的影響同樣顯著。以α=0°和15°巖樣為例，當(dāng)加載速率處于較低水平(0.01 mm/s)時(shí)，巖樣呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞模式，隨著加載速率的升高，如s=0.05～0.50 mm/s時(shí)，拉伸與剪切混合的M型破壞模式成為巖樣的主要選擇。當(dāng)加載速率處于最高水平(1.0 mm/s)時(shí)，巖樣的破壞特征則變?yōu)榧兝煨再|(zhì)的T型破壞。由此可見(jiàn)，加載速率的增加亦會(huì)促使巖樣由剪切破壞模式向拉伸破壞模式過(guò)渡。

表1 破壞模式統(tǒng)計(jì)

2.3 裂隙巖樣裂紋演化與聲發(fā)射信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系

巖石的破壞實(shí)際上是其內(nèi)部裂隙起裂、擴(kuò)展直至貫通的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。巖石的聲發(fā)射特征與其內(nèi)部損傷密切相關(guān)。為進(jìn)一步探討裂紋演化與巖樣破壞損傷的關(guān)系，本節(jié)采用聲發(fā)射與攝影監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)裂隙砂巖試樣的破壞過(guò)程進(jìn)行描述和分析。鑒于文章篇幅，僅以加載速率為0.01 mm/s、裂隙傾角為45°的巖樣來(lái)進(jìn)行分析。圖9,10分別為巖樣加載過(guò)程中應(yīng)力、AE計(jì)數(shù)、AE累計(jì)計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系和巖樣表面宏觀(guān)裂紋的演化情況。圖9中，黑線(xiàn)代表應(yīng)力，紅線(xiàn)代表AE計(jì)數(shù)，藍(lán)線(xiàn)代表AE累計(jì)計(jì)數(shù)，A～E為根據(jù)巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)選取的特征點(diǎn)，這些點(diǎn)與圖10中的裂紋演化特征相對(duì)應(yīng)。圖11為巖樣壓縮破壞過(guò)程中的聲發(fā)射定位信息，藍(lán)色粗直線(xiàn)代表預(yù)制裂隙，紅色小點(diǎn)代表聲發(fā)射事件。

由圖9可知，在荷載作用下，巖樣先后經(jīng)歷裂隙壓密階段和彈性變形階段，在0～50 s內(nèi)，無(wú)較大聲發(fā)射計(jì)數(shù)出現(xiàn)，巖樣表面未發(fā)現(xiàn)有明顯裂紋產(chǎn)生，如圖10(b)所示。而由圖11(a)～(e)可知，在0～40 s內(nèi)，巖樣內(nèi)部實(shí)際上出現(xiàn)了損傷事件，且數(shù)目逐漸增多。這說(shuō)明，盡管巖樣表面未形成宏觀(guān)裂紋，但不代表巖樣內(nèi)部未發(fā)生損傷破壞。這也同樣體現(xiàn)在聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)上，在這一過(guò)程中，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，表明巖樣的損傷程度在緩慢增加。此外，圖11(a)～(e)中聲發(fā)射事件的分布具有一定規(guī)律性，紅色點(diǎn)主要分布在預(yù)制裂隙的左下方和右上方，揭露了裂紋起裂及擴(kuò)展的趨勢(shì)。

隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸表現(xiàn)出非線(xiàn)性特征，同時(shí)，聲發(fā)射的計(jì)數(shù)值也呈升高趨勢(shì)，由1 290增加到9 051。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到39.78 MPa(C點(diǎn))，巖樣出現(xiàn)第1個(gè)聲發(fā)射計(jì)數(shù)高峰值(30 773)，如圖9所示。此時(shí)巖樣表面形成宏觀(guān)裂紋，在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生非共面次級(jí)裂紋，如圖10(c)所示。

隨后，巖樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)入“劇烈期”，累計(jì)計(jì)數(shù)呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明該階段巖樣破壞過(guò)程加速。此時(shí)，巖樣表面裂紋進(jìn)行快速擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂紋，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)了小幅的應(yīng)力降，巖樣預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生了新的共面次級(jí)裂紋，如圖10(d)所示。在這一過(guò)程中，應(yīng)力到達(dá)E點(diǎn)時(shí)，巖樣儲(chǔ)存的能量達(dá)到其臨界值，應(yīng)力發(fā)生驟降，巖樣按照聲發(fā)射事件的分布規(guī)律生成2條新的剪切裂紋，如圖9中E點(diǎn)所示，并最終形成剪切破壞。

圖9 裂隙巖樣聲發(fā)射特征Fig.9 AE characteristics of fracture rock samples

加載時(shí)間繼續(xù)增加，巖樣應(yīng)力不再升高，并于F點(diǎn)發(fā)生表面剝落。由圖11(f)～(h)可知，相較于加載前期，巖樣內(nèi)部的聲發(fā)射事件數(shù)目在50～65 s增長(zhǎng)速度較快，大規(guī)模的聲發(fā)射事件發(fā)生在一瞬間，且?guī)r樣破壞后其分布趨勢(shì)與巖樣的破壞模式相同。由此可見(jiàn)，巖樣進(jìn)入臨界狀態(tài)時(shí)，其破壞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而非單一的破壞機(jī)制[30]。

圖10 巖樣表面宏觀(guān)裂紋演化情況Fig.10 Macroscopic crack evolution on the surface of rock sample

圖11 裂隙巖樣定位信息Fig.11 Location information of fracture rock sample

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

PFC是一種基于離散元法的高級(jí)非連續(xù)介質(zhì)程序軟件，可用于研究本質(zhì)為顆粒集合體的巖石類(lèi)材料破斷問(wèn)題，能夠反映介質(zhì)在受力條件下的裂紋演化特征及破壞機(jī)理。本文基于顆粒流理論，采用PFC2D程序?qū)r樣在單軸壓縮條件下的破壞過(guò)程進(jìn)行模擬。首先在程序中生成與砂巖試樣尺寸完全一致的二維數(shù)值分析模型。模型由顆粒構(gòu)成，四邊通過(guò)設(shè)置墻體進(jìn)行約束。模型生成且賦值結(jié)束后，刪除側(cè)面墻體，并通過(guò)賦予頂部墻體運(yùn)動(dòng)速率來(lái)模擬加載過(guò)程。加載速度與物理試驗(yàn)相同，均為0.05 mm/s。

在進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)之前，首先對(duì)二維數(shù)值分析模型進(jìn)行細(xì)觀(guān)參數(shù)標(biāo)定。以相同加載速率進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得到數(shù)值模型的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等模擬計(jì)算值，并采用“試錯(cuò)法”對(duì)數(shù)值模型的細(xì)觀(guān)參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)試，直到模擬計(jì)算值和室內(nèi)試驗(yàn)得到的真實(shí)值接近為止。相關(guān)細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表2。

為驗(yàn)證表2中細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)的合理性，將數(shù)值模擬結(jié)果與完整巖樣在室內(nèi)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12所示。由圖可知，數(shù)值模擬得到的單軸抗壓強(qiáng)度為52.52 MPa，而室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得完整巖樣的抗壓強(qiáng)度為52.96 MPa，2者相差僅0.84%。數(shù)值模擬曲線(xiàn)近線(xiàn)性，主要呈現(xiàn)彈性變形特征，相對(duì)于室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，缺少裂隙壓密階段。這主要是因?yàn)闃?gòu)建模型的顆粒為剛性體，且分布更加均勻，因此無(wú)法體現(xiàn)出試樣壓縮過(guò)程中的裂隙壓密階段，故其峰值應(yīng)變亦小于物理實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)。為盡量協(xié)調(diào)這種差異，參考前人經(jīng)驗(yàn)[31- 32]，本文采取保證數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的抗壓強(qiáng)度和彈性模量一致的原則對(duì)細(xì)觀(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。最終，數(shù)值模擬計(jì)算得到的彈性模量為2.20 GPa，而室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的彈性模量為2.16 GPa，相差僅1.8%，符合要求。此外，由圖12中的圖片可知，數(shù)值模擬分析模型的破裂特征與室內(nèi)試驗(yàn)巖樣相似，這進(jìn)一步證明了本文模擬所選取的細(xì)觀(guān)參數(shù)的合理性。

表2 數(shù)值模型細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)

圖12 數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比Fig.12 Numerical simulation and physical experiment stress-strain curves comparison

3.2 巖樣破壞特征對(duì)比與分析

為對(duì)裂隙砂巖試樣進(jìn)行數(shù)值模擬分析，本文在PFC2D軟件中建立與實(shí)際砂巖試樣等尺寸的數(shù)值分析模型，通過(guò)4.1節(jié)經(jīng)驗(yàn)證合理的細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)對(duì)構(gòu)成數(shù)值模型的顆粒進(jìn)行物理性質(zhì)標(biāo)定，然后采用AutoCAD導(dǎo)入特定裂隙圖形，通過(guò)刪除圖形尺寸范圍內(nèi)的顆粒體來(lái)構(gòu)建不同的裂隙傾角，如圖13所示。

圖13 數(shù)值模擬模型與物理巖樣裂隙對(duì)比Fig.13 Numerical simulation model and rock sample crack

圖14為數(shù)值模擬計(jì)算和室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)得到的巖樣破壞模式對(duì)比。圖14(b)中，灰色代表構(gòu)成模型的顆粒，白色為顆粒與顆粒之間產(chǎn)生的位移，宏觀(guān)表現(xiàn)為巖樣壓縮破壞中的裂紋。由圖14可知，采用PFC2D模擬的巖樣的裂紋擴(kuò)展特征與室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果并非完全一致，如α=75°。這主要是因?yàn)镻FC構(gòu)建的分析模型中顆粒分布相對(duì)于物理巖樣更為均勻，所預(yù)制的裂隙尺寸也更為標(biāo)準(zhǔn)和平滑，造成數(shù)值模型在模擬受載過(guò)程中模型整體及預(yù)制裂隙附近的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布與室內(nèi)試驗(yàn)不完全相同，從而導(dǎo)致數(shù)值模擬得到的試樣裂紋擴(kuò)展特征與室內(nèi)試驗(yàn)有一定的區(qū)別。但整體來(lái)看，數(shù)值模擬得出的試樣裂紋擴(kuò)展特征與室內(nèi)試驗(yàn)巖樣的基本相同，PFC能夠模擬出導(dǎo)致巖樣最終破壞的主要宏觀(guān)裂紋，尤其是在試樣的極限破壞模式上，與室內(nèi)試驗(yàn)表現(xiàn)出較高的一致性。PFC數(shù)值模擬顯示試樣的破壞模式主要有拉伸、剪切及拉伸/剪切混合破壞3種，且隨著α的增大，破壞模式有從剪切破壞向拉伸破壞的趨勢(shì)，這與室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)論相互吻合。

3.3 裂紋擴(kuò)展的加載速率效應(yīng)

為探索裂隙巖樣的裂紋擴(kuò)展機(jī)理，應(yīng)考慮巖樣壓縮過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。本文以α=0°試樣在加載速率為0.05 mm/s時(shí)為例，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖15為數(shù)值模擬計(jì)算得到的巖樣裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力場(chǎng)分布情況，其中綠色代表壓應(yīng)力，紅色代表拉應(yīng)力，藍(lán)色代表拉伸裂紋，黑色代表剪切裂紋。圖15(a)～(f)為根據(jù)裂紋擴(kuò)展情況選取的幾個(gè)特征點(diǎn)。

由圖15可知，巖樣加載過(guò)程中，壓應(yīng)力遍布整個(gè)巖樣。加載初期，預(yù)制裂隙左右兩尖端出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)，而拉應(yīng)力在預(yù)制裂隙的上下2個(gè)表面聚集，如圖15(a)所示，這也是裂紋從預(yù)制裂隙中間起裂的原因；由于巖石類(lèi)材料的單軸抗拉強(qiáng)度普遍小于抗壓強(qiáng)度，因此在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中的影響下，預(yù)制裂隙下表面率先產(chǎn)生拉伸裂紋，如圖15(b)所示。隨著應(yīng)力的增加，巖樣預(yù)制裂隙上方表面拉應(yīng)力集中區(qū)在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾乎對(duì)稱(chēng)的拉伸裂紋，如圖15(c)所示。受裂紋萌生的影響，裂紋附近拉應(yīng)力降低，拉應(yīng)力集中區(qū)分別向上、下方向轉(zhuǎn)移，預(yù)制裂隙上方右側(cè)拉應(yīng)力明顯強(qiáng)于左側(cè)，而預(yù)制裂隙下方拉應(yīng)力集中區(qū)沿近似垂直方向轉(zhuǎn)移，預(yù)制裂隙左右尖端的壓應(yīng)力集中區(qū)則未發(fā)生明顯變化并產(chǎn)生少量壓裂裂紋，如圖15(d)所示。由于拉應(yīng)力集中區(qū)之前的非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)移，預(yù)制裂隙上方右側(cè)產(chǎn)生大量拉伸裂紋，而預(yù)制裂隙下方的拉伸裂紋則繼續(xù)向下擴(kuò)展；此時(shí)，受裂紋發(fā)育影響，預(yù)制裂隙附近的壓應(yīng)力分布不再對(duì)稱(chēng)，如圖15(e)所示。應(yīng)力繼續(xù)增加，裂紋繼續(xù)發(fā)育直至巖樣發(fā)生破壞，壓應(yīng)力集中區(qū)主要分布在預(yù)制裂隙無(wú)裂紋萌生的左側(cè)尖端，拉應(yīng)力集中區(qū)則主要分布在新萌生裂紋的尖端，預(yù)示著裂紋發(fā)展的趨勢(shì)，如圖15(f)所示。縱觀(guān)整個(gè)過(guò)程可知，巖樣加載過(guò)程中，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨裂紋的萌生和發(fā)展而不斷變化，壓應(yīng)力主要集中在預(yù)制裂隙尖端，而拉應(yīng)力則主要集中在裂紋萌生的附近。因此，裂紋的萌生與擴(kuò)展的根本原因是應(yīng)力場(chǎng)的變化和轉(zhuǎn)移。

圖14 數(shù)值模擬模型與物理巖樣破壞特征對(duì)比Fig.14 Comparison of failure characteristics between numerical simulation model and physical rock sample

圖15 數(shù)值模擬模型裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.15 Crack propagation and stress field distribution in numerical simulation model

圖16 不同加載速率下裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力場(chǎng)分布特征Fig.16 Crack propagation and stress field distribution characteristics under different loading rate

為進(jìn)一步探索加載速度對(duì)于預(yù)制裂隙巖樣裂紋萌生與擴(kuò)展的影響，以上述數(shù)值模擬分析模型為基礎(chǔ)，分別設(shè)置不同的加載速度進(jìn)行模擬分析。同時(shí)，為避免裂紋擴(kuò)展離散隨機(jī)性的影響，每次試驗(yàn)均設(shè)置相同的隨機(jī)數(shù)。不同加載速率影響下的數(shù)值模型裂紋擴(kuò)展特征及應(yīng)力場(chǎng)分布如圖16所示。

由圖16(a)可知，隨著加載速率的增加，試樣應(yīng)力分布不規(guī)則變化，壓應(yīng)力仍然廣泛分布于整個(gè)試樣，而拉應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移隨機(jī)性增大，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展軌跡發(fā)生變化。加載速率較低時(shí)，由于拉應(yīng)力集中區(qū)的轉(zhuǎn)移，裂紋主要在預(yù)制裂隙右上方和正下方萌生，如圖16(a)左側(cè)兩幅圖所示。隨著加載速率的增加，拉應(yīng)力集中區(qū)的轉(zhuǎn)移開(kāi)始多樣化，促使整個(gè)試樣范圍內(nèi)萌生微裂紋，或者形成裂紋萌生的趨勢(shì)。但從圖16(b)中知，隨著加載速率的升高，盡管裂紋萌生的范圍隨機(jī)化，但裂紋寬度逐漸減小，主要裂紋萌生不明顯。表現(xiàn)在室內(nèi)試驗(yàn)的物理巖樣上即為表面宏觀(guān)裂紋的減少，這與文中所得結(jié)論吻合。利用PFC2D內(nèi)置Fish函數(shù)對(duì)試樣壓縮過(guò)程中的裂紋數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖17所示。由圖17可知，隨著加載速率的升高，試樣破壞時(shí)間縮短，裂紋萌生提前，而裂紋數(shù)目總體呈降低趨勢(shì)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述分析的合理性。

圖17 不同加載速率下裂隙數(shù)目統(tǒng)計(jì)Fig.17 Statistics of crack number under different loading rates

4 結(jié) 論

(1)裂隙砂巖試樣的破壞模式包含拉伸破壞、剪切破壞和拉伸/剪切混合破壞3種，根據(jù)裂紋起裂機(jī)理及發(fā)展軌跡可將其細(xì)化分為T(mén)(1,2,3,4)型、S(1,2,3)型、M(1,2)型等9種破壞模式，裂紋萌生亦可分為翼形裂紋、反抗拉裂紋、共面/非共面次級(jí)裂紋、橫向裂紋等5種類(lèi)型，且均與巖樣加載破壞過(guò)程密切相關(guān)。

(2)巖樣裂紋擴(kuò)展及破壞模式受控于裂隙傾角α。隨著α的增加，裂紋起裂應(yīng)力升高，起裂位置由預(yù)制裂隙中央向尖端轉(zhuǎn)移，巖樣破壞模式由剪切破壞向拉伸破壞過(guò)渡。

(3)加載速率對(duì)巖樣裂紋擴(kuò)展及破壞模式產(chǎn)生影響。隨著加載速率的增加，裂紋萌生類(lèi)型由翼形裂紋變?yōu)榉纯估鸭y，且不再向其他裂紋類(lèi)型轉(zhuǎn)化；裂紋起裂時(shí)間縮短，破壞模式由剪切破壞向拉伸破壞過(guò)渡，巖樣表面宏觀(guān)裂紋數(shù)目降低。

(4)運(yùn)用PFC2D程序?qū)r樣進(jìn)行數(shù)值模擬分析，有效支撐了室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)論。應(yīng)力場(chǎng)的變化和轉(zhuǎn)移是巖樣裂紋萌生與擴(kuò)展的根本原因，壓應(yīng)力主要集中在預(yù)制裂隙尖端，而拉應(yīng)力則主要集中在裂紋萌生的附近。一定程度上，拉應(yīng)力場(chǎng)的分布揭示了裂紋萌生的主要趨勢(shì)。