非均布载荷下砂岩裂隙填充力学响应与裂纹演化机制

摘要

巷道围岩常受其内部裂隙结构及复杂非均布载荷的耦合作用，引起应力分布畸变和局部破坏加剧，导致其整体承载能力降低并增加了失稳风险.为探究非均布载荷作用下不同裂隙特征砂岩的裂纹扩展演化规律，以完整砂岩试样、预制矩形裂隙试样和填充裂隙试样为研究对象，采用自研非均布载荷试验装置，结合DIC全场应变测量、声发射技术及FLAC^3D数值模拟，对非均布载荷下裂隙试样的裂纹扩展、声发射特征、应力场与塑性区演化进行了分析.试验结果表明：砂岩峰值强度受形态控制显著，不同试样峰值强度表现为完整试样>填充裂隙试样>预制裂隙试样；引入损伤因子P来量化试样劣化程度，完整、预制裂隙、填充裂隙试样的劣化程度呈先增后减趋势.加载方式决定砂岩裂纹扩展路径，形态特征决定破坏模式：完整试样以拉伸破坏为主，预制裂隙试样为拉-剪混合破坏，填充裂隙试样为剪切破坏.试样声发射活动均由静息期向活跃期转化，累计振铃计数呈阶梯式递增，其与b值呈显著负相关关系；完整试样在静息期保持较高的b值，而预制裂隙试样在失稳破坏阶段表现出显著的b值下降；不同结构试样的声发射峰值频率分布特征表现出明显差异.砂岩内部应力表现出与局部载荷正相关的梯度分布，不同区域峰值强度存在延迟性；应力梯度控制塑性区演化，决定裂纹扩展路径与贯通程度.研究可为含裂隙岩体支护设计与围岩稳定性分析提供理论依据.

关键词

裂隙注浆 / 声发射 / 非均布载荷 / DIC应变特征 / 数值模拟