岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3602-3616.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0448

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基于离散元法模拟的冻融砂岩细观破裂演化特征研究

宋勇军1，孙银伟1，李晨婧1，杨慧敏1，张磊涛2，谢丽君3   

  1. 1. 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2. 大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116024； 3. 中冶地集团西北岩土工程有限公司，陕西 西安 710061
  • 收稿日期:2023-04-11 接受日期:2023-05-23 出版日期:2023-12-20 发布日期:2023-12-21
  • 通讯作者: 孙银伟，男，1999年生，硕士研究生，主要从事岩石力学方面的研究工作。E-mail: sunyinwei2021@163.com E-mail:songyj79@xust.edu.cn
  • 作者简介:宋勇军，男，1979年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学与地下工程方面的教学与研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No.42277182，No.11972283）。

Meso-fracture evolution characteristics of freeze-thawed sandstone based on discrete element method simulation

SONG Yong-jun1, SUN Yin-wei1, LI Chen-jing1, YANG Hui-min1, ZHANG Lei-tao2, XIE Li-jun3   

  1. 1. College of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054, China; 2. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China; 3. China Metallurgical Group Northwest Geotechnical Engineering Co., Ltd., Xi’an, Shaanxi 710061, China
  • Received:2023-04-11 Accepted:2023-05-23 Online:2023-12-20 Published:2023-12-21
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42277182, 11972283).

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摘要：

为探究冻融岩石细观损伤累积及受载破裂过程，基于离散元提出一种水冰颗粒相变耦合膨胀方法，借助颗粒流程序实现岩石冻融过程模拟，结合室内试验验证模拟结果的可靠性，定量表征孔隙水颗粒冻胀评价指标λv，建立λv与冻融循环次数N之间的函数关系，并对冻融岩石受载过程中微裂纹−位移场−力链场演化及破裂特征进行评估。结果表明：（1）冻融循环作用下岩石内部孔隙水体积膨胀及持续补水是造成其损伤的本质原因；冻融过程中试样细观微裂纹由拉伸裂纹主导，呈“先慢后快”趋势演化，且外围岩石颗粒位移较内部更显著。（2）试样受载时微裂纹呈“慢→缓→陡”发展，冻融循环次数N 与受载产生的微裂纹数量呈正相关，但与微裂纹起裂应力σi却呈负相关。（3）冻融前后试样破裂过程与形态明显不一，受载趋于峰值强度σf 时，试样微裂纹分布−位移场−力链场有“异常信号”出现，可作为破坏前兆识别信息；冻融循环影响下，试样内部微裂纹空间排布方式更为复杂，由拉伸微裂纹主导破裂向拉−剪混合微裂纹主导转变。该研究可为探索冻融岩石破坏行为提供一种新的思路和方法。

关键词: 离散元, 冻融循环, 颗粒流, 细观损伤, 单轴压缩, 破裂演化

Abstract:

To investigate the mesoscopic damage accumulation and the loading-induced fracture process in freeze-thawed rocks, a method coupling water-ice particle phase transition and expansion based on the discrete element method is proposed. The rock freeze-thaw process is simulated using a particle flow program, and the reliability of the simulation results is verified through laboratory experiments. The frost heave evaluation index λv of pore water particles is quantitatively characterized, and a functional relationship between λv and the number of freeze-thaw cycles N is established. Furthermore, the fracture characteristics and the evolution of microcrack, displacement field and force chain field in freeze-thawed rocks during the loading process are evaluated. The results show that: (1) The volumetric expansion of pore water in the rock and continuous water replenishment are the essential causes of rock damage under freeze-thaw treatments. Microcracks in the samples are dominated by tensile cracks during the freeze-thaw process, exhibiting an “initially slow, then fast” evolutionary trend, with more significant displacement of rock particles on the periphery than those in the interior. (2) The number of microcracks in the samples under loading exhibits a “slow→gradual→rapid” growth trend. The numbers of freeze-thaw cycles positively correlated with the number of microcracks but negatively correlated with the microcrack initiation stress σi . (3) The fracture process and morphology of the samples differ significantly before and after freeze-thaw treatment. When the load approaches the peak stress σf , there are “abnormal signals” in the microcrack distribution, displacement field and force chain field, which can serve as a precursor to failure identification. Under the influence of freeze-thaw cycles, the spatial arrangement of microcracks inside the samples becomes more complex, and the fracture mode transitions from dominance by tensile microcracks to dominance by mixed tensile-shear microcracks. This study provides a new idea and method for exploring the failure behavior of freeze-thawed rocks.

Key words: discrete element method, freeze-thaw cycles, particle flow, mesoscopic damage, uniaxial compression, fracture evolution

中图分类号: TU454
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