基于黏聚裂纹模型的煤岩体韧性断裂机制研究

作者：杨健锋; 柴敬; 张丁丁; 马哲; 刘永亮

来源：岩石力学与工程学报, 2021, S2: 3014-3023.

DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2021.0548

• 岩石力学
• 黏聚裂纹模型
• 断裂过程区
• 贯穿剪切实验
• 韧性断裂
• I/II混合型裂纹扩展

传统线弹性断裂理论已不再适用于表征煤岩体韧性断裂特征,为了描述煤岩体I/II混合型裂纹扩展行为,通过I型半圆盘三点弯曲(SCB)实验和贯穿剪切(PTS)实验,构建基于PPR势能函数的泥岩及煤I/II混合型黏聚裂纹模型。实验结果表明:煤SCB试件峰值载荷后非线性损伤过程中,裂纹尖端张开位移(CTOD)增加量是泥岩试件的3.48倍;同时,通过数字图像相关方法(DIC),测定煤岩试件中断裂过程区(FPZ)长度,其中煤试件的FPZ长度约为6.21 mm,是泥岩试件的2.75倍,这直接导致煤试件的韧性断裂破坏特征表现得更为显著。煤岩贯穿剪切(PTS)实验中,煤PTS试件的最大切向位移为0.055mm,远大于泥岩试件的最大切向位移,表明煤PTS试件II型韧性断裂特征明显高于泥岩试件;此外,两类煤岩试件II型断裂能高于其I型断裂能,这说明发生II型剪切断裂需要消耗更多的能量。最后,进行煤岩体I/II混合型单边缺口梁(SENB)三点弯曲实验及与其相对应的数值模拟研究,数值模拟过程分别基于所建立的PPR黏聚裂纹模型和线弹性断裂理论。通过以上对比可知,相较于线弹性断裂理论,基于所建立的PPR黏聚裂纹模型的数值模拟结果更加符合实验结果,验证了所建立的PPR I/II混合型黏聚裂纹模型适合用于表征煤岩体I/II混合型韧性断裂行为。

• 单位
  西安科技大学