静力裂岩中四边形孔的能量集中定向效应研究

摘要

针对静力裂岩中圆形钻孔裂纹发育随机且致裂效果欠佳的局限性，提出采用具有应力集中及定向致裂潜力的四边形孔作为钻孔，研究其静力裂岩机理并依据尖角应力及能量利用率定量分析试样断裂效果，并运用数字图像相关技术监测其动态断裂过程.在此基础上，使用PFC^2D研究钻孔尖角角度及双孔间距对致裂效果的影响.结果表明：四边形孔的裂纹扩展方向是可控的，且沿着其锐角尖角角平分线延长线方向发生断裂，根据试样表面裂纹扩展过程中的位移云图，其断裂过程可分为三个阶段：初始阶段、发育扩展阶段、贯通阶段.钻孔应力集中效应与其形状及尖角角度有关，应力增长速率在梯形孔的尖角为30°时获得最大值，应力集中效应最好.钻孔形状对能量利用率的影响较小，梯形孔能量利用率较菱形孔稍高，但相差在5%以内；而尖角角度的变化对能量利用率影响较大，当尖角从60°减小为30°时，菱形孔能量利用率提升19.63个百分点，梯形孔提升17.63个百分点.单孔模拟试验中，菱形、梯形孔在尖角为60°时裂纹宽度最大，总体断裂效果最好；双孔联合致裂模拟试验中，双菱形、梯形孔间距为试样长度1/3时，断裂效果最佳.

关键词

静力裂岩 / 四边形孔 / 应力集中效应 / 能量利用率 / 颗粒流模拟