脆性岩石热水力耦合断裂的裂纹长度影响【推荐论文】 .doc

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1、精品论文脆性岩石热-水-力耦合断裂的裂纹长度影响李鹏，饶秋华，李卓，马雯波，梁伟达5（中南大学土木工程学院，长沙 410075） 摘要：采用数值计算与试验相结合的方法，开展裂纹长度对脆性岩石热-水-力（THM）耦合 断裂的影响研究。通过有限元法计算 THM 耦合作用下的岩石试件裂纹前缘最大拉、剪应力， 探讨了岩石 THM 耦合断裂的尺寸效应，揭示了岩石 THM 耦合断裂机理；并通过自行设计10的 THM 耦合加载试验，得到了不同裂纹长度下的岩体 THM 耦合断裂轨迹。计算和试验结 果表明：含裂纹的脆性岩石在 THM 耦合加载下，随着裂纹长度的增加，裂纹前缘最大拉应 力和最大剪应力均随之增加，最

2、大剪应力与最大拉应力之比值反而降低，因此最大拉应力趋向于更容易比最大剪应力先达到其抗拉强度而引起拉伸断裂；断裂轨迹为单一的横向扩展逐 渐发展为纵横双向扩展、纵向扩展；断裂机理由剪切断裂逐渐变为拉剪复合断裂、拉伸断裂。15研究结果为裂隙岩体的 TMC 耦合断裂控制及安全评估提供依据。关键词：地下开采工程；热-水-力耦合；断裂轨迹；断裂机理；裂纹长度中图分类号：TD803Effect of crack length on thermo-hydro-mechanical (THM)20coupling fracture of brittle rockLI Peng, RAO Qiuhua, LI Z

3、huo, MA Wenbo, LIANG Weida(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075)Abstract: Effect of original crack length on brittle rock fracture under thermo-hydro-mechanical(THM) coupling condition was studied numerically and experimentally. Finite element method25was used to ca

4、lculate maximum tensile stresse and shear stresses of the crack tips of the rock specimens with different crack lengths. Size effect of the THM coupling fracture was analysed and mechanism of the THM coupling fracture was investigated. Fracture trajectories of the rock specimens with different crack

5、 lengths were obtained by THM coupling loading test. Calculation and test results show that maximum tensile stress and shear stress are increased with the increase30of the crack length while the ratio of maximum shear stress and tensile stress is decreased. Thus the maximum tensile stresse easily re

6、aches its strength before the maximum shear stresse and causes tensile fracture. As the crack length increases, the fracture trajectory is gradually changed from single transversal propagation to mixed transversal-longitudinal propagation and single longitudinal propagation and the fracture mechanis

7、m is also changed from shearing fracture to35mixed tensile-shearing fracture and tensile fracture. Research results can provide the evidence for fracture control and safety assessment of rock mass under THM coupling condition in practicalengineering.Key words: underground mining ； thermo-hydro-mecha

8、nical coupling condition ； fracturetrajectory；fracture mechanism；crack length400引言在我国深部矿产和石油开采、地热开发、核废料地下处置、地下能源储存等工程中，裂 隙岩体所赋存的地质条件（含地热、地下水、地应力等）十分恶劣，温度场、渗流场、应力场等耦合作用容易导致裂隙岩石热-水-力（Thermo-Hydro-Mechanical, 简称 THM）耦合断基金项目：国家自然科学基金（11072269）；博士点基金(20090162110066)作者简介：李鹏(1987-),男，博士研究生，工程力学通信联系人：饶秋华（19

9、65-），女，教授，岩土力学. E-mail: raoqh- 7 -45裂。岩石 THM 耦合断裂不仅与外部场作用有关，而且与裂纹初始条件有关，其中裂纹长度是重要的参数之一。目前，国内外关于岩体 THM 耦合断裂的尺寸效应研究甚少，主要采用有限元法研究 TM 耦合或 HM 耦合断裂。关于 TM 耦合断裂，采用有限元法研究了岩石 I 型、II 型裂纹试件的 裂尖应力场随裂纹长度的变化规律1-2、圆柱体椭圆裂纹的不同尺寸对裂尖应力场的影响3、50裂纹角度对疲劳裂纹扩展的影响4。关于 HM 耦合断裂，通过有限元法计算并分析了水力压 裂过程中不同裂纹宽度的裂纹张开位移变化规律5、裂纹长度和倾角对张开型

10、裂纹起裂强度 及断裂模式的影响6-7、地应力和压裂液流体特性对裂纹扩展长度和最大缝宽的影响8。现 有的文献有关岩石 THM 耦合断裂的研究报道不多，主要是受到试验条件的限制。本文基于有限元法和自行设计的 THM 耦合加载试验系统，开展裂纹长度对脆性岩石试件55THM 耦合断裂影响的数值分析与试验研究，探讨岩体 THM 耦合断裂的尺寸效应，揭示岩石 THM 耦合断裂机理，为实际工程中的裂隙岩体 TMC 耦合断裂控制及安全评估等提供重要的理 论依据。1计算模型601.1试件与荷载选取如图 1 所示的圆柱体试件，尺寸为f50100mm，内含一条倾角为 45o 的穿透裂纹， 裂纹长度见表 1 所示。试

11、件受轴压 PL 和围压 PM 作用，且在裂纹面上承受水压 PH 作用，水和 岩石温度均为 70oC。在圆柱体底面中心建立整体坐标系 O-XYZ，在裂纹前缘中心建立局部坐 标系 o-xyz。选取材料为本地产的黄砂岩，根据国际岩石力学试验标准，测定其基本力学性65能参数见表 1。（a） 主视图（b）俯视图（c）裂纹面荷载 图 1 圆柱体试件受 THM 耦合作用70Fig. 1 Cylinder speimen subjected to THM coupling loading岩石类型st/MPaC/MPaf/E/GPan黄砂岩3.56223810.670.2575表 1 不同裂纹长度的圆柱体试件T

12、ab. 1 Cylinder specimens with different lengthsNo.2a/mma/A11045A2A320304545A34045表 2 岩石力学性能参数Tab. 2 Mechanical properties of rock801.2有限元建模利用 ANSYS13.0 软件建立含不同裂纹长度的圆柱体试件的有限元计算模型，如图 2 所示。 单元类型为 20 节点三维 SOLID186 单元，裂纹尖端附近采用奇异单元，且进行局部细化。裂 纹面采用接触单元（图 3），假设接触面不互相渗透，能传递法向压力和切向摩擦力而不传85递法向拉力。取接触刚度为 1.0，黄砂岩的

13、摩擦系数为 0.25，热膨胀系数为 12e-7/C。 为计算 THM 耦合作用下不同裂纹长度试件的裂尖应力场且进行对比分析，取单位轴压作用 PL=1MPa。为避免水油混合，必须围压大于水压，取 PM 为 10MPa、水压 PH 为 7MPa。（a）A1（b）A2（c）A3（d）A490图 2 不同裂纹长度的圆柱体试件有限元模型（整体）Fig. 1 Finite element model of the cylinder speimens with different crack lengths (body)（a）A1（b）A2（c）A3（d）A495图 3 不同裂纹长度的圆柱体试件有限元模型（

14、裂纹面）Fig. 1 Finite element model of the cylinder speimens with different crack lengths (crack surface)1001051101152计算结果与分析2.1 应力场在相同的 THM 耦合条件作用下，不同裂纹长度的圆柱体试件裂纹前缘最大拉应力s1、最 大剪应力tmax 的等值线云图如图 4 所示。表 3 列出了最大拉应力s1、最大剪应力tmax、最大 拉、剪应力比值tmax/s1 的计算结果。可见，s1 和tmax 均出现在裂纹前缘，且两者均随着裂纹 长度的增加而增加。因s1 的增幅大于tmax，故比值t

15、max/s1 随着裂纹长度的增加反而减低。2.2 断裂模式在相同的 THM 耦合条件作用下，随着岩石试件裂纹长度的增大，裂纹尖端最大拉、剪应 力比值tmax/s1 随之降低。对于抗拉强度远低于抗剪强度的脆性岩石，裂纹尖端最大拉应力s1 趋向于更容易比最大剪应力tmax 先达到其强度而引起拉伸断裂，因此岩石试件的破坏模式趋 向于由剪切断裂逐渐变成拉剪复合断裂、拉伸断裂。根据裂纹尖端最大拉伸、剪切应力强度 因子比值 KIIma/KImax 与最大拉、剪应力比值tmax/s1 的相似关系以及实测的黄砂岩材料拉伸、 剪切断裂韧度之比 KIIC/KIC 值（1.92.5）可知，当比值tmax/s1 远大

16、于 2.5 时，岩石发生剪切 断裂；当比值tmax/s1 远小于 1.9 时，岩石发生拉伸断裂；当比值tmax/s1 处于 1.92.5 之间时， 岩石发生拉剪复合断裂。表 3 列出了不同裂纹长度的圆柱体试件断裂模式及其起裂角的预测结果， 其中s1 引起 的拉伸断裂轨迹垂直于s1 方向，tmax 引起的剪切断裂轨迹沿tmax 方向，起裂角b、g分别为垂 直于s1 方向、沿tmax 方向的角度，且定义从 Z 轴正向到断裂轨迹方向以顺时针夹角为正。（a）s1（A1）（b）tmax（A1）120（c）s1（A2）（d）tmax （A2）（e）s1（A1）（f）tmax（A1）125130（g）s1（

17、A4）（h）tmax（A4）图 4 不同裂纹长度的圆柱体试件最大拉应力和最大剪应力等值线图Fig. 4 Maximum tensile and shear stresses for the cylinder speimens with different crack lengths表 3 不同裂纹长度的圆柱体试件有限元计算结果Tab. 3 Numerical results of the cylinder speimens with different crack lengthsNo.2a/mma /s1 /MPatmax/MPatmax/s1b /g /断裂模式起裂角a110457.3024

18、.703.09-59.2147.8剪切147.8a2204513.2036.802.87-38.8152.7剪切152.7a3304513.9037.302.61-15.6158.5拉剪-15.6(158.5)a3404524.9049.802.1728.5165.9拉剪28.5(165.9)1351403 试验验证3.1 试验方案岩石材料为本地产的黄砂岩，实测的力学性能参数见表 2。试件加工成f50100mm 的圆 柱体标准试件，内含一条预制的穿透斜裂纹，试件尺寸见表 1。采用自行设计的 THM 耦合加载系统，如图 5 所示，包括围压和水压加载系统、含三轴室 的刚性试验机，最大围压和水压分别

19、为 60MPa 和 30MPa。水压和围压与三轴室通过高压胶管 相连，三轴室内设计了水压和围压隔离装置以保证水油不混合。试验过程中，将水和岩石加 热到 70oC，设定围压 PM 为 10MPa、水压 PH 为 7MPa，保证 PMPH 以避免水油混合。按 0.02mm/s 的加载速度施加轴向压力，直至岩石试件破坏为止。145（a） 试件（b） 加载 图 5 岩石 THM 耦合试验Fig.5 THM coupling test of rock1501551603.2 断裂轨迹与断裂机理图 6 为 THM 耦合加载下不同裂纹长度的圆柱体试件断裂轨迹实物图及示意图。可见，随 着裂纹长度的增加，试件的

20、断裂轨迹由单一的横向扩展发展为纵横双向扩展。当裂纹长度很小时，如试件 A1 和 A2，直接作用在裂纹面上的水压荷载较小，围压对 裂纹的抑制作用较大，裂尖拉应力较小，试件破坏为剪应力引起的剪切断裂，断裂轨迹沿tmax 方向，起裂角为tmax 的方向角g。随着裂纹长度的增大，如试件 A3 和 A4，裂纹面上的水压荷载增加，水压致裂作用增 大，围压对裂纹的抑制作用受到限制，裂尖拉应力和剪应力均较大。试件破坏为拉应力和剪应力共同引起的拉剪复合断裂，断裂轨迹表现为垂直于s1 方向和沿tmax 方向的纵横双向扩展，起裂角为垂直于s1 方向的角度b和沿tmax 方向的角度g。当裂纹长度很大时，水压致裂起 主

21、导作用，试件发生拉应力引起的拉伸断裂，断裂轨迹为垂直于s1 方向的单一纵向扩展， 起裂角为垂直于s1 方向的角度b。比较图 6 和表 3 可知，对于不同裂纹长度的圆柱体试件，断裂模式和起裂角的试验结果 与预测值吻合较好，从而验证了有限元计算结果。165（a）A1（b）A2（c）A3（d）A4（e）A1（f）A2（g）A3（f）A4图 6 不同裂纹长度的圆柱体试件断裂轨迹及示意图Fig.6 Fracture trajectories of the cylinder speimens with different crack lengths1701751801851904. 结论（1）THM 耦合

22、加载下，不同裂纹长度的岩石试件最大拉应力s1 和最大剪应力tmax 均出现在 裂纹前缘处，且两者均随着裂纹长度的增加而增加，比值tmax/s1 随着裂纹长度的增加反而降 低，s1 趋向于更容易比tmax 先达到其强度而引起拉伸断裂。（2）随着裂纹长度的增加，水压致裂作用逐渐增大，围压对裂纹的抑制作用受到限制，岩 石的断裂轨迹由单一的横向扩展发展为纵横双向扩展、纵向扩展。（3）随着裂纹长度的增加，岩石的断裂机理由剪切断裂逐渐变为拉剪复合断裂、拉伸断裂。参考文献 (References)1 王志. 岩石高温剪切（含型和型）断裂特征的理论与实验研究D. 长沙：中南大学，2007.2 RAO Q H,

23、 SUN Z Q, STEPHANSSON O,et al. Shear fracture（Mode II）of brittle rockJ. InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Science, 2003,40(3):355-375.3 郭瑞平，刘曙云. 含表面裂纹圆柱壳体的热力耦合效应J. 科学技术与工程，2009，9（22）：6760-6763.4 郭俊，李伟，温泽峰等. 基于热力耦合的钢轨接触疲劳裂纹扩展特性分析J. 机械强度，2011，33（6）：879-884.5 JOHN W,SONS L. An extended finite element method for hydraulic fractureJ. Communications in NumericalMethods in Engineering, 2009,2(25):121-133.6 李夕兵，贺显群，陈红江. 渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究J. 岩石力学与工程学报，2012,31（7）：1317-1324.7 彪仿俊. 水力压裂水平裂纹扩展的数值模拟研究D. 合肥：中国科学技术大学，2011.8 连志龙，张劲，王秀喜等. 水力压裂扩展特性的数值模拟研究J. 岩土力学，2009，30（1）：169-174.