层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

摘要：

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律.试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角 θ 控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏.不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角 α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36.运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角 α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YI受层理面与荷载方向夹角 θ 影响显著:θ=0°,90°试样YI=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YI≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YI最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度 θ 的变化呈现不同的变化规律.通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角 θ 及切缝角 α 的变化呈现一定的各向异性.试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充.

关键词：半圆形砂岩试样、层理方向、三点弯试验、应力强度因子、断裂韧度、破裂模式

所属期刊栏目：41

分类号：TU431(土力学、地基基础工程)

资助基金：国家自然科学基金面上项目41672300

在线出版日期：2019-11-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：1854-1862