压缩条件下玄武岩柱尺寸效应及破裂机理数值模拟研究

作     者：王永艺 唐春安 夏英杰 WANG Yongyi;TANG Chun an;XIA Yingjie

作者机构：大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室大连116024 

出 版 物：《应用力学学报》 (Chinese Journal of Applied Mechanics)

年 卷 期：2023年第40卷第2期

页      面：364-377页

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(No.42077251 41807269) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重大资助项目(No.2011DA105287-FW201802) 

主　　题：玄武岩柱 尺寸效应 侧压 破裂机理 数值模拟 

摘      要：为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应,及其破裂机理和破坏模式,本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质。开展压缩条件下的玄武岩柱数值试验,分析侧压、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)对玄武岩柱的力学尺寸效应的影响,以及玄武岩柱破裂过程的应力场演化与损伤破裂特征。研究表明:对于垂直柱轴方向Ⅰ的情况,当侧压为0 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为2 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为4、6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。对于垂直柱轴方向Ⅱ的情况,当侧压为0、2 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为4 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。当侧压为0~8 MPa,随着模型尺寸的增加,试件抗压强度的横观各向异性系数变化范围为0.75~1.15;试件等效变形模量的横观各向异性系数变化范围为0.90~1.15。因此,玄武岩柱可近似为横观各向同性。分析了不同侧压、模型尺寸、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)条件下玄武岩柱的节理开裂情况、应力集中、裂纹萌生扩展、破碎带形成的全过程,以及声发射特征。