冻融循环作用下含天然损伤砂岩破坏过程的数值试验研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0163

摘要/Abstract

摘要：

裂隙、孔隙等天然损伤使得岩石细观结构呈现强烈的非均质性，对其破坏过程及模式产生重要影响。本文根据CT无损识别技术，结合数字图像处理技术和CASRock数值模拟软件，开展了含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏的数值试验研究。对含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏模式、变形局部化及裂纹演化过程等分析，揭示了含天然损伤砂岩在冻融和荷载作用下的破坏机制。研究结果表明：砂岩内原生孔隙（裂纹）的扩展及新生孔隙的生成是冻融岩石破坏演化的主要形式。冻融和荷载作用下含天然损伤岩石的破坏与天然损伤程度及分布有关。次生裂纹的生成多发生于天然损伤密集区域。在加载过程中，局部化损伤区应力远远大于砂岩整体应力，局部化损伤区岩石的破坏与该区域能量释放和应力释放具有同步性。局部化损伤反映岩石中裂纹的演化，有助于预测砂岩裂纹发展的方向。岩石的破坏模式与冻融循环次数有关，冻融循环促使含天然损伤砂岩逐渐由脆性破坏转化为延性破坏，冻融作用对岩石整体强度的改变是逐渐劣化的过程。

关键词: 冻融岩石, CASRock, CT扫描, 图像处理, 破坏过程, 局部化损伤

Abstract:

Natural damage such as fissures and pores make the rock microstructure show strong heterogeneity， which influences the failure process and mode. In this paper， the numerical test of freeze-thaw sandstone splitting failure with natural damage was carried out based on CT non-destructive identification technology， combined with digital image processing technology and CASRock numerical simulation software. The analysis of splitting failure mode， deformation localization and crack evolution process of freeze-thaw sandstone with natural damage reveals the failure mechanism of sandstone with natural damage under freeze-thaw and load. The results show that the expansion of primary pores （cracks） and the formation of new pores in sandstone are the main forms of freeze-thaw rock failure evolution. The failure of rock containing natural damage under freeze-thaw and load is related to the degree and distribution of natural damage. The generation of secondary cracks mostly occurs in natural damage-intensive areas. During the loading process， the stress in the localized damage zone is far greater than sandstone’s overall stress， and rock’s failure in the localized damage zone is synchronized with the energy release and stress release in the region. Localized damage reflects the evolution of cracks in rocks and helps to predict the direction of sandstone crack development. The failure mode of rock is related to the number of freeze-thaw cycles. The freeze-thaw cycles make the sandstone with natural damage gradually change from brittle failure to ductile failure， and the change of the overall strength of the rock is a gradual deterioration process.

Key words: freeze-thaw rock, CASRock, CT scan, image processing, destruction process, localized damage

中图分类号:

P642.14

刘慧, 徐雅丽, 杨更社, 潘鹏志, 金龙, 唐丽云, 黄慧琦. 冻融循环作用下含天然损伤砂岩破坏过程的数值试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1875-1886.

Hui LIU, Yali XU, Gengshe YANG, Pengzhi PAN, Long JIN, Liyun TANG, Huiqi HUANG. Numerical experimental study on failure process of sandstone containing natural damage under freeze-thaw cycle[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1875-1886.

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参考文献 40

1	Yang Gengshe， Liu Hui. Micro structure and damage mechanical properties of frozen rock based on CT image processing［M］. Beijing： Science Press， 2016.
	杨更社，刘慧. 基于CT图像处理的冻结岩石细观结构及损伤力学特性［M］. 北京：科学出版社， 2016.
2	Zhang Bo， Yang Xueying， Li Shucai， et al. Uniaxial tensile failure characteristics of rock materials with two groups of superimposed X-shaped fractures［J］. Journal of China Coal Society， 2017， 42（8）：1987-1993.
	张波，杨学英，李术才，等. 含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征［J］. 煤炭学报， 2017， 42（8）：1987-1993.
3	Li Lielie， Guan Junfeng， Liu Zhiyong. A random discrete element method for modeling rock heterogeneity［J］. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources， 2021， 8（1）： 1-13.
4	Bedford J D， Faulkner D R， Lapusta N. Fault rock heterogeneity can produce fault weakness and reduce fault stability［J］. Nature Communications， 2022， 13（1）： 326-326.
5	Yu Enyi， Jin Aibing， Sun Hao， et al. Evolution characteristics and attenuation model of compressive strength and porosity of limestone under cryogenic freezing-thawing cycles［J］. Mining Research and Development， 2021， 41（10）： 55-60.
	于恩毅，金爱兵，孙浩，等. 超低温冻融循环下灰岩抗压强度与孔隙率的演化特征及衰减模型［J］. 矿业研究与开发， 2021， 41（10）： 55-60.
6	Tang Shibin， Luo Jiang， Tang Chunan. Theoretical and numerical simulation of rock fracture induced by low temperature［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2018， 37（7）： 1596-1607.
	唐世斌，罗江，唐春安. 低温诱发岩石破裂的理论与数值模拟研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2018， 37（7）： 1596-1607.
7	Rong Huren， Gu Jingyu， Rong Miren， et al. Strength and microscopic damage mechanism of yellow sandstone with holes under freezing and thawing［J］. Advances in Civil Engineering， 2020： 1-13.
8	Meng Fangdong， Zhai Yue， Li Yubai， et al. Experimental study on dynamic tensile properties and energy evolution of sandstone under freeze-thaw cycles［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2021， 40（12）： 2445-2453.
	孟凡东，翟越，李宇白，等. 冻融循环作用后砂岩的动态抗拉性能及能量演化试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2021， 40（12）： 2445-2453.
9	Liu Jie， Zhang Han， Wang Ruihong， et al. Research on progressive damage degradation of sandstone under freeze-thaw cycles［J］. Rock and Soil Mechanics， 2021， 42（5）： 1381-1394.
	刘杰，张瀚，王瑞红，等. 冻融循环作用下砂岩层进式损伤劣化规律研究［J］. 岩土力学， 2021， 42（5）： 1381-1394.
10	Li Jieling， Zhu Longyi， Zhou Keping， et al. Damage characteristics of sandstone pore structure under freezing and thawing［J］. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（9）： 3524-3532.
	李杰林，朱龙胤，周科平，等. 冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究［J］. 岩土力学， 2019， 40（9）： 3524-3532.
11	Wang Yongyan， Liu Xueqing， Su Chuanqi， et al. Experimental study on the effects of freeze-thaw cycles on similar materials with different porosity［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（1）： 102-109.
	王永岩，柳雪庆，苏传奇，等．冻融循环对不同孔隙率页岩相似材料影响的试验研究［J］. 冰川冻土， 2018， 40（1）： 102-109.
12	Lu Yani， Li Xinping， Han Yanhua. Mechanical characteristics of an isotropic sandstone under freeze-thaw cycles［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（3）： 889-898.
	路亚妮，李新平，韩燕华. 各向异性砂岩冻融力学特性研究［J］. 冰川冻土， 2020， 42（3）： 889-898.
13	Wang Lehua， Jiang Zhaorong， Li Jianlin， et al. The bedding sandstone unloading mechanical properties experimental study in the freeze-thaw cycle conditions［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（4）：1052-1058.
	王乐华，姜照容，李建林，等.冻融循环条件下层理砂岩卸荷力学特性试验研究［J］. 冰川冻土， 2016， 38（4）： 1052-1058.
14	Wen Lei. Li Xibing. Yin Yanbo，et al. Study of physico-mechanical properties of granite porphyry and limestone in slopes of open-pit metal mine under freezing-thawing cycles and their application［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2014， 36（3）： 632-639.
	闻磊，李夕兵，尹彦波，等. 冻融循环作用下花岗斑岩和灰岩物理力学性质对比分析及应用研究［J］. 冰川冻土， 2014， 36（3）： 632-639.
15	Song Yanqi， Ma Hongfa， Liu Jichen，et al. Experimental investigation on the damage characteristics of freeze-thaw limestone by the uniaxial compression and acoustic emission monitoring tests［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2022， 41（Supp 1）： 2603-2614.
	宋彦琦，马宏发，刘济琛，等. 冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2022， 41（）： 2603-2614.
16	Jia Yufei， Wang Haocheng， Xia Dong， et al. Study on macroscopic dynamic properties of rock with impact damage on argillaceous siltstone under freeze-thaw［J］. Metal Mine， 2022（2）： 36-41.
	贾淯斐，王浩程，夏冬，等. 泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究［J］. 金属矿山， 2022（2）： 36-41.
17	Yahaghi J， Liu H， Chan A， et al. Experimental and numerical studies on failure behaviours of sandstones subject to freeze-thaw cycles［J］. Transportation Geotechnics， 2021， 31： 100655.
18	Mahabadi O K， Randall N X， Zong Z， et al. A novel approach for micro-scale characterization and modeling of geomaterials incorporating actual material heterogeneity［J］. Geophysical Research Letters， 2012， 39（1）： L01303.
19	Mahabadi O K， Tatone B S A， Grasselli G. Influence of micro scale heterogeneity and micro structure on the tensile behavior of crystalline rocks［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth， 2014， 119（7）： 5324-5341.
20	Li Dejian， Qi Hao， Li Chunxiao， et al. Brazilian disc splitting tests and numerical simulations on coal samples containing bedding planes［J］. Journal of Mining Science and Technology， 2020， 5（2）： 150-159.
	李德建，祁浩，李春晓，等. 含层理面煤试样的巴西圆盘劈裂实验及数值模拟研究［ J］. 矿业科学学报， 2020， 5（2）： 150-159.
21	Hu Xunjian， Zhu Qizhi， Chen Liang， et al. Modeling damage evolution in heterogeneous granite using digital imagebased Grain-Based Model［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2020： 4925-4945.
22	Chen Bin， Xiang Jiansheng， Latham John-Paul， et al. Grain-scale failure mechanism of porous sandstone： an experimental and numerical FDEM study of the Brazilian tensile strength test using CT-scan microstructur［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2020： 104348.
23	Dong Fangfang， Zhu Tantan， Qu Zijian， Particle flow-based investigation on the tensile behaviours of rock after freeze-thaw treatment［J］. Journal of Hebei University of Engineering （Natural Science Edition）， 2021， 38（3）： 22-29.
	董方方，朱谭谭，屈子健. 基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究［J］. 河北工程大学学报（自然科学版）， 2021， 38（3）： 22-29.
24	Li Mingtian. Study of lattice cellular automaton of numerical simulation of rock failure［D］. Bejing： University of Chinese Academy of Sciences， 2004.
	李明田. 岩石破裂过程数值模拟的格构细胞自动机方法研究［D］. 北京：中国科学院研究生院， 2004.
25	Li Mingtian， Feng Xiating， Zhou Hui. Evolving cellular automata for simulating rock failure［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22（10）： 1656-1660.
	李明田，冯夏庭，周辉. 模拟岩石破坏过程的物理细胞演化力学模型［J］. 岩石力学与工程学报， 2003， 22（10）： 1656-1660.
26	Wang Shimin， Feng Xiating， Wang Yongjia， et al. An evolutionary cellular automaton （ECA） study of brittle rock failure［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（15）： 2634-2639.
	王士民，冯夏庭，王泳嘉，等. 脆性岩石破坏的演化细胞自动机（ECA）研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2005， 24（15）： 2634-2639.
27	Pan Pengzhi， Feng Xiating， Zhou Hui. Three-dimensional cellular automaton simulation of brittle rock fracture evolution［J］. Rock and Soil Mechanics， 2009， 30（5）： 1471-1476.
	潘鹏志，冯夏庭，周辉. 脆性岩石破裂演化过程的三维细胞自动机模拟［J］. 岩土力学， 2009， 30（5）： 1471-1476.
28	Pan Pengzhi， Feng Xiating， Zhou Hui. Development and applications of the elasto-plastic cellular automaton［J］. Acta Mechanica Solida Sinica， 2012， 25（2）： 126-143.
29	Pan Pengzhi， Yan Fei， Feng Xiating， et al. Modeling of an excavation-induced rock fracturing process from continuity to discontinuity［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2019， 106： 286-299.
30	Mei Li， Mei Wanquan， Pan Pengzhi， et al. Modeling transient excavation-induced dynamic responses in rock mass using an elasto-plastic cellular automaton［J］. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research， 2020： 103183.
31	Pan Pengzhi， Mei Wanquan. Dynamic response analysis method， software and applications in engineering rockmass based on CASRock［J］. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering， 2021， 3（3）： 1-10.
	潘鹏志，梅万全. 基于CASRock的工程岩体动力响应分析方法、软件与应用［J］. 隧道与地下工程灾害防治， 2021， 3（3）： 1-10.
32	Feng Xiating， Pan Pengzhi， Wang Zhaofeng， et al. Development of cellular automata software for engineering rockmass fracturing processes［C］//International Conference of the International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. Torino， Italy： Springer International Publishing， 2021.
33	China Electricity Council. Standard for tests methods of engineering rock mass ［S］. Beijing： China Planning Press， 2013.
	中国电力企业联合会. 工程岩体试验方法标准［S］. 北京：中国计划出版社， 2013.
34	Shen Yanjun， Yang Gengshe， Rong Tenglonget al. Proposed scheme for freeze-thaw cycle tests on rock［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38（10）： 1775-1782.
	申艳军，杨更社，荣腾龙，等. 岩石冻融循环试验建议性方案探讨［J］. 岩土工程学报， 2016， 38（10）： 1775-1782.
35	Wang Xu， Tang Danming， Xia Lina， et al. Contrastive study of chinese and american standards of rock freeze-thaw test［J］. Sichuan Water Power， 2016， 38（3）： 111-113.
	王旭，汤大明，夏骊娜. 岩石冻融试验的中美标准对比研究［J］. 四川水力发电， 2019， 38（3）： 111-113.
36	Zhang Erfeng， Yang Gengshe， Liu Hui. Experimental study on the meso-damage evolution law ofsandstone under freeze-thaw cycles［J］. Coal Engineering， 2018， 50（10）： 50-55.
	张二锋，杨更社，刘慧. 冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究［J］. 煤炭工程， 2018， 50（10）： 50-55.
37	Tan Wenhui， Ba Jing， Guo Mengqiu， et al. Brittleness characteristics of tight oil siltstones［J］. Applied Geophysics， 2018， 15（2）： 175-187.
38	Liu Hui， Yang Gengshe， Ye Wanjun， et al. Analysis of water ice content and damage characteristics of frozen rock based on CT image three-value segmentation［J］. Journal of Mining & Safety Engineering， 2016， 33（6）： 1130-1137.
	刘慧，杨更社，叶万军，等. 基于CT图像三值分割的冻结岩石水冰含量及损伤特性分析［J］. 采矿与安全工程学报， 2016， 33（6）： 1130-1137.
39	Pan Pengzhi. Research on rock fracturing process and coupled hydro-mechanical effect using an elasto-plastic cellular automaton［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2006.
	潘鹏志. 岩石破裂过程及其渗流-应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型［D］. 北京：中国科学院研究生院， 2006.
40	Shen Xinpu， Cen Zhangzhi， Xu Bingye. The characteristics of elasto-brittle-plastic softening constitutive theory and its numerical calculation［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 1995， 35（2）： 22-27.
	沈新普，岑章志，徐秉业. 弹脆塑性软化本构理论的特点及其数值计算［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 1995， 35（2）： 22-27.

冻融循环次数N	弹性模量/GPa	泊松比	饱和密度/ （g·cm^-3）	抗拉强度/MPa
0	1.66	0.26	2.66	4.34
5	1.43	0.26	2.63	3.20
10	1.26	0.27	2.59	2.81
20	1.01	0.27	2.61	1.96
30	0.93	0.27	2.60	1.67

材料	初始黏聚力/Pa	残余黏聚力/Pa	初始摩擦角/（°）	残余摩擦角/（°）	初始拉伸强度/Pa	残余拉伸强度/Pa	均质度系数	随机种子数	弹性模量/Pa
岩石	1.3×10⁷	1×10⁶	49	48	5×10⁶	1×10⁴	3	10	见表1
孔隙	1.3×10⁵	1×10⁴	48	48	5×10⁵	1×10⁴	3	10	1×10²

[1]	刘春龙, 刘奉银, 黄素娟, 付争, 王锐, 王松鹤. 冻融循环作用下改良灰土力学特性与孔隙特征试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1833-1841.
[2]	程博远, 张玉芝, 王天亮, 温安, 尹赵爱. 基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 322-330.
[3]	李伟, 卢鹏, 李志军, 庄峰, 卢志明, 李国玉. 2017 - 2018年冬季乌梁素海湖冰表面裂缝形态分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 919-926.
[4]	赵玥, 韩巧玲, 赵燕东, 刘晋浩. 基于CT无损扫描技术的冻土内部物质研究现状与分析[J]. 冰川冻土, 2017, 39(6): 1307-1315.
[5]	明锋, 李东庆, 陈世杰. 水分迁移对冻土细观结构的影响[J]. 冰川冻土, 2016, 38(3): 671-678.
[6]	郑剑锋, 马巍, 赵淑萍, 蒲毅彬. 与CT机配套的便携式控温压力舱的研制与应用[J]. 冰川冻土, 2014, 36(4): 928-933.
[7]	陈世杰, 赵淑萍, 马巍, 杜玉霞, 邢莉莉. 利用CT扫描技术进行冻土研究的现状和展望[J]. 冰川冻土, 2013, 35(1): 193-200.
[8]	方丽莉, 齐吉琳, 马巍. 冻融作用对土结构性的影响及其导致的强度变化[J]. 冰川冻土, 2012, (2): 435-440.
[9]	刘增利, 李洪升, 朱元林, 蒲毅彬, 李红艳. 冻土初始与附加细观损伤的CT识别模型[J]. 冰川冻土, 2002, 24(5): 676-680.
[10]	王建, 李文君. 中国西部大尺度流域建立分带式融雪径流模拟模型[J]. 冰川冻土, 1999, 21(3): 264-268.
[11]	蒲毅彬, 徐学祖. 层状图像信息的计算机识别研究[J]. 冰川冻土, 1999, 21(3): 277-280.