异性结构面剪切破坏过程研究

基于PFC2D数值模拟，开展巴东组粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在不同法向应力、不同锯齿状表面形态下的微观剪切破坏过程研究。在PFC2D中，模型破坏部分是指黏结颗粒在应力的加载过程中，颗粒间的接触力大于颗粒间的黏结强度，从而导致黏结破坏，造成与整体黏结体的分离。主要从剪切应力为0、剪切应力为峰值的1/2、剪切应力为峰值的3/4和剪切应力达到峰值时来监测模型破坏。表3-5、表3-6为粉砂质泥岩-泥灰岩异性层面在不同表面形态、不同法向应力下模型的剪切破坏过程。

表3-5　不同表面形态下模型的剪切破坏过程(法向应力为1 MP s)

表3-6　不同法向应力下模型的剪切破坏过程(表面形态为45°锯齿状)

表3-5为法向应力为1MPa时不同表面形态下模型的剪切破坏过程。从表中可以明显地看出异性层面模型上部黏结相对比较密集，主要是上部粉砂质泥岩的半径相对较小，生成颗粒较多，所以产生的黏结较多，分布密集。在破坏的开始阶段，平直模型两侧破坏相对均匀分布在粉砂质泥岩结构面部分和泥灰岩结构面部分。但随着剪切的继续进行，在粉砂质泥岩结构面部分的破坏较多，而泥灰岩结构面部分的破坏较少。45°锯齿状模型主要是沿着结构面表面附近开始破坏，随着剪切的进行，破坏不仅沿着结构面表面继续进行，且出现少部分锯齿被剪断的现象。锯齿状异性层面的剪切破坏主要沿软弱壁岩从锯齿的两侧向中部逐渐演化，平直状异性层面的剪切破坏主要沿接触面软弱壁岩一侧均匀同步扩展。

表3-6为表面形态为45°锯齿状模型在不同法向应力下的剪切破坏过程。从表中可明显看出，在0.5MPa的法向应力下，从剪切开始到剪切结束，主要发生了沿结构面的摩擦破坏，没有产生锯齿断裂现象。但在1MPa和2MPa的法向应力下，除发生沿结构面表面的摩擦破坏外，同时产生了锯齿被剪断的现象。

从表中可以得出以下几个方面的结论:

(1)破坏的部分主要为上部粉砂质泥岩的颗粒黏结。主要是由于粉砂质泥岩的表面强度比泥灰岩表面强度低得多，在剪切过程中，粉砂质泥岩结构面表面会产生较多颗粒黏结破坏，而泥灰岩结构面表面被破碎和剪断相对较少，与之前描述的异性层面剪切强度规律吻合。

(2)法向应力越大，破坏的黏结部分越多，且破坏的部分主要集中于结构面附近。在法向应力相对较小时，模型主要沿着结构面发生滑动，模型中只有少量局部沿着结构面颗粒的黏结发生破坏，具有较为明显的剪胀效应，破坏模式以滑动破坏为主。当法向应力较大时，结构面附近的黏结破坏逐渐扩大，锯齿被剪断，破坏模式转化为啃断破坏。