泥岩单轴压缩力学特性及破裂演化过程

孙纬宇; 李洋; 汪波; 梁庆国; 李景; 朱辉; 张建

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505664

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6517-6527 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505664

建筑科学

泥岩单轴压缩力学特性及破裂演化过程

孙纬宇 ¹ ,
李洋 ¹ ,
汪波 ¹^,²^,^* ,
梁庆国 ¹ ,
李景 ¹ ,
朱辉 ¹ ,
张建 ³

作者信息 +

Mechanical Characteristics and Failure Behavior of Mudstone Subjected to Uniaxial Compressive Loading

SUN Wei-yu ¹ ,
LI Yang ¹ ,
WANG Bo ¹^,²^,^* ,
LIANG Qing-guo ¹ ,
LI Jing ¹ ,
ZHU Hui ¹ ,
ZHANG Jian ³

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文章历史 +

摘要

泥岩作为典型的一种软岩,其单轴压缩力学行为对隧道及地下工程的稳定性具有重要意义。采用室内试验与PFC^2D颗粒流模拟相结合的方法,系统研究了泥岩单轴压缩条件下的力学特性与破坏规律,揭示了泥岩破坏的宏-细观机制,并基于PFC^2D构建了适用于岩体的平行黏结模型,通过细观参数反演实现了宏观力学响应的精确再现。研究结果表明:泥岩的应力-应变曲线呈现明显的压密—弹性—塑性—峰后软化四阶段特征,压密阶段主要表现为初始孔隙的闭合;弹性阶段泥岩内部结构稳定,应力与应变成线性关系;在塑性变形中开始产生微裂纹,峰值后裂纹迅速发展,泥岩承载能力快速下降;通过应力演变、位移演变、孔隙分布三方面协同佐证共同展现了由细观破坏机制影响宏观力学响应的表象特征。裂纹快速增长的过程是弹性压变能和胶结能的耗散以及阻尼能和滑移能的增长过程。采用“实验-模拟”协同分析方法可为泥岩工程稳定性分析提供有效支撑。

Abstract

As a typical soft rock material, the mechanical behavior of mudstone under uniaxial compression is of crucial significance for the stability assessment of tunnels and underground engineering. A multi-scale analysis method combining laboratory tests with PFC^2D particle flow discrete element simulation was employed to systematically investigate the mechanical properties and failure laws of mudstone, and to reveal the macro-mesoscopic mechanisms of mudstone failure. A parallel bond model applicable to rock masses was constructed based on the PFC^2D software, and the accurate reproduction of macroscopic mechanical responses was achieved through mesoscopic parameter inversion.The research results indicate that the stress-strain curve of mudstone exhibits distinct four-stage characteristics: compaction, elasticity, plasticity, and post-peak softening. Microcracks begin to initiate during plastic deformation and develop rapidly after the peak stress. The synergistic verification from three aspects—stress evolution, displacement evolution, and pore distribution—collectively reveals the apparent characteristics of macro-mechanical responses influenced by mesoscopic failure mechanisms. The process of rapid crack propagation is accompanied by the dissipation of elastic compressive strain energy and cementation energy, as well as the accumulation of damping energy and sliding energy. The “experiment-simulation” collaborative analysis method established in this study provides effective support for the stability analysis of mudstone engineering.

Graphical abstract

关键词

泥岩 / 单轴压缩 / 颗粒流 / 裂纹扩展 / 能量演化

Key words

mudstone / uniaxial compression / particle flow / crack propagation / energy evolution

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孙纬宇, 李洋, 汪波, 梁庆国, 李景, 朱辉, 张建. 泥岩单轴压缩力学特性及破裂演化过程[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6517-6527 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505664

SUN Wei-yu, LI Yang, WANG Bo, LIANG Qing-guo, LI Jing, ZHU Hui, ZHANG Jian. Mechanical Characteristics and Failure Behavior of Mudstone Subjected to Uniaxial Compressive Loading[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6517-6527 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505664

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泥岩作为一种典型的软弱岩体,广泛分布于全球各类地质构造中,尤其在沉积盆地、页岩气储层及山岭隧道工程中占据重要地位^[1]。泥岩具有遇水软化、膨胀性、各向异性及流变特性等独特的物理力学特性^[2-6],这些特性使得泥岩在隧道工程、边坡工程等实际工程场景中表现出复杂的力学行为和破坏机理^[7-9]。

泥岩的力学特性受矿物成分、含水率、围压及加载速率等因素影响显著。国内外学者通过室内试验和现场监测,对其力学行为进行了系统研究。付宏渊等^[10]利用室内击实和筛分试验研究炭质泥岩填料击实特性和颗粒破碎行为;刘凯旋等^[11]研究了不同岩石强度受含水量的影响,发现泥岩单轴抗压强度受含水因素影响最为明显,强度随含水率增加呈指数下降;章慧健等^[12]通过对不同加载路径下泥岩强度的研究发现先加围压会使泥岩内摩擦角降低,同步加载更符合实际;李可等^[13]在经过不同加载速率对泥岩进行单轴压缩试验得出加载速率越小,圧密过程更明显的结论。郭浩天等^[14]对饱和状态及天然非饱和状态下的全风化泥岩分别进行室内三轴试验,研究不同温度对其抗剪强度参数的影响,并对比分析饱和状态及天然非饱和状态下全风化泥岩抗剪强度参数之间的区别。在裂纹的扩展与贯通方面,国内外学者已有诸多研究。Yuan等^[15]利用离散单元法(discrete element method,DEM)分析得到单轴压缩试验和直剪试验下泥岩加载后期强力链的断裂和重新分配导致了应力集中和裂纹贯通;王子航等^[16]通过对泥岩微观结构特征进行电镜扫描实验,从微观结构特征上解释了其强度劣化特性、抗冲击特性及波的传播特性等宏观力学特性方面表现的异同;安冬^[17]通过物理试验以及数字散斑相关技术,研究了含岩层倾角的复杂裂隙系统下砂泥岩复合岩体裂隙扩展过程;陆翔等^[18]研究了冻融循环下泥岩力学特性及细观破裂机理;Huang等^[19]通过对红层泥岩施加不同竖向应力,发现随着竖向应力的增加拉伸裂纹逐渐变为剪切裂纹; Liang等^[20]在不同加载频率下对泥岩的破坏进行分析,得出在低频作用下泥岩更易发生脆性破坏,耗散能量的增速也加快。

近年来,随着计算能力的飞速发展,PFC^2D颗粒流由于其自身优势成为模拟岩土体细观变化的有效工具。如孙金山等^[21]采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC^2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析,取得了良好的效果;丛宇等^[22]基于颗粒流原理,探究了大理岩宏观力学特征与细观参数两者间的定量相关性,从而设计出适用于岩石的正交设计方法;王俊光等^[23]基于颗粒流软件,研究了不同加卸载条件下泥岩的破坏规律,得到了单轴压缩条件下更为复杂的破裂形态;贾乐琪等^[24]通过对黄土的单轴压缩试验,对其细观参数进行敏感性分析得到了对黄土抗拉强度影响最大的参数因子为半径乘子,对黄土抗拉刚度影响最大的参数因子为黏结刚度比。

从相关研究来看,尽管通过单轴压缩试验揭示了泥岩宏观力学响应与破坏模式的基本规律,为工程实践提供了重要参考,但对细观损伤演化链条(胶结键断裂—微裂纹萌生—宏观劈裂)的全过程细观损伤演化机制仍缺乏直观揭示。因此,现通过室内试验与PFC^2D颗粒流离散元模拟相结合的方法,通过室内试验获取泥岩宏观参数与破坏特征的真实数据,捕捉泥岩应力-应变四阶段特征以及破坏规律,再依托离散元方法构建细观数值模型,对损伤演化过程进行动态追踪,重点通过孔隙-位移-能量三者协同来研究泥岩裂纹扩展的演化规律,在此基础上进一步聚焦于微观变化对宏观力学行为的控制机制,深化对泥岩破坏规律的理解。研究结论可望验证并捕捉一种基于PFC^2D的细观参数反演和动态损伤追踪的方法,实现裂纹萌生、扩展、贯通全过程的可视化与量化分析,并且可以为泥岩地区的隧道支护设计提供基于细观机制的预警指标与理论依据。

1 试样的制备及加载

1.1 原状泥岩试样制备

试验试样取自甘肃省境内某隧道内掌子面泥岩,如图1所示。采用多层保鲜膜包裹封闭并在最外侧采用防撞带气囊的柔性塑料膜包裹岩块,其目的在于尽量保持岩样的初始含水率,避免岩样因失水产生干缩裂缝,依据国际岩石力学学会对室内岩石力学试样标准的相关规定^[25]对岩块进行钻芯、切割、打磨、平整度检查,制备直径50 mm高度100 mm的标准圆柱试样,如图2所示。

1.2 试验加载

试验标准参照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)^[26]的规定执行,切割后的试样经自然风干后进行编号,期间维持试样的自然含水率。风干结束后,剔除表面有明显裂缝的不合格试样,留存完好试样供后续打磨。打磨时用砂纸处理端面,确保端面与试样轴线偏差不超过0.25°,之后用超声波探伤仪再次检测,确认打磨的试样无缝隙。

完成试样准备后,将合格试样置于加载设备的加载板中心位置,按照位移控制进行加载,以0.01 mm/s 的恒定速率持续施加轴向载荷,加载过程中采集载荷、位移等数据,直至试样出现明显破坏后停止加载,加载过程如图3所示。

2 试验结果分析

2.1 力学特性分析

基于试验数据,绘制应力-应变曲线,如图4所示。可知试样单轴抗压强度值分别为4.44 (A8)、2.80 (A10)、4.58 MPa(A19), A10抗压强度远低于另外两个试样(不足A8试样的63%),舍去A10测试结果,对A8和A19试样进行分析。从应力应变曲线可以发现,各试样有较明显的水平微裂缝压密阶段、线弹性阶段、非稳定塑性变形阶段和软化阶段四个阶段。

对于A8试样,应力-应变曲线表现为上凹型,其水平微裂缝压密阶段的应变范围为0~1.2×10^-3,应力缓慢增至0.8 MPa,对应其原始孔隙与微裂隙闭合,胶结薄弱层也被压实;线弹性阶段的应变范围为1.2×10^-3~7.5×10^-3,此时曲线接近线性增长,应力提升至2.5 MPa。紧接着斜率显著降低,此时为非稳定塑性变形阶段,应变范围为7.5×10^-3~1.75×10^-2,试样内部结构出现损伤,岩样承载力持续增至峰值4.44 MPa,之后进入软化阶段,应力骤降80%(从4.44降至0.9 MPa),曲线几乎垂直落下。

A19试样其水平微裂缝压密阶段的应变范围为0~0.7×10^-3,应力仅增至0.4 MPa,说明其微裂隙较A8试样发育更好,初始压密效应更显著;0.7×10^-3~4.5×10^-3为线弹性阶段的应变范围,此时曲线呈现出高斜率线性段,应力快速升至3.6 MPa,说明其内部石英等硬质矿物含量高,胶结致密(弹性响应优于A8试样);4.5×10^-3~1.1×10^-2为非稳定塑性变形阶段,应力稳定达到峰值4.58 MPa,其软化阶段呈台阶式下降,说明其多级剪切带渐进形成(破坏具残余摩擦效应)。

2.2 破坏模式分析

对单轴压缩试验后试样破坏形态进行观察,可见试样呈现出明显的竖向破裂特征,如图5所示。

A8试样破裂面大致沿试样轴向分布,表面有不规则的裂缝扩展痕迹,部分区域存在碎屑剥落,破裂面倾角接近垂直,有多条纵向裂纹;A19试样可以看到有一条较长裂纹贯通试件,倾角约80°,并伴随次生羽状裂纹,同样在试样上部有碎块脱落,两试样均反映出单轴压缩荷载作用下,试样内部应力集中引发的脆性破坏特征。

从单轴抗压强度峰值以及两者破坏形态看出,A8与A19试样虽同属泥岩,但由于矿物组分与结构差异导致力学行为出现差异。A19的高强度与延性响应更适合作工程持力层,因此后续选用A19试样来进行数值模拟的对比研究。

3 单轴压缩数值模拟分析

3.1 颗粒流基本原理

PFC^2D颗粒流程序是一种离散单元法,它基于细观离散元理论,将岩土体视为由颗粒堆积形成的集合体,通过模拟颗粒与颗粒间的相互作用力和相互运动,从细观层面出发,来反映材料的宏观力学特性。在这种颗粒单元研究的基础上,通过一种非连续的数值方法来解决包含复杂变形模式的实际问题。

在具有颗粒结构特性岩土介质中的应用,就是从其细观力学特征出发,将岩土体的力学响应问题从物理域映射到数学域内进行数值求解。与此相应,物理域内岩土颗粒被抽象为数学域内的颗粒单元,并通过颗粒单元来构建和设计任意几何性状的试样,颗粒间的相互作用通过接触本构关系来实现,数值边界条件的确定和试样的若干应力平衡状态通过迭代分析进行,直到使数值试样的宏观力学特性逼近材料的真实力学行为或者工程特性。

颗粒流模拟过程中颗粒间接触本构关系的选择至关重要,而常用的接触模型有线性接触模型和平行黏结模型,在泥岩的单轴试验模拟中,由于泥岩具有各向异性特征,其层理面对其力学行为也有显著影响。平行黏结模型能较好地模拟岩石的单轴压缩试验和岩质边坡破坏过程,通过将圆形颗粒构造成多边形颗粒,抑制颗粒破坏后的旋转,使得抗压强度与抗拉强度的比值显著增大,从而更准确地反映泥岩的力学特性。

PFC^2D中的平行黏结模型用于模拟岩石材料的细观颗粒接触本构关系,模型将颗粒间胶结视为一组弹簧,包括法向和切向的黏结刚度k_n和k_t,与颗粒之间的接触弹簧共同作用。表达式为

(1)$\overline{\mathit{\sigma }}$=$\frac{{\overline{\mathit{F}}}_{\mathrm{n}}}{\overline{\mathit{A}}}$+$\overline{\mathit{\beta }}\frac{\Vert {\overline{\mathit{M}}}_{\mathrm{b}}‖\overline{\mathit{R}}}{\overline{\mathit{I}}}$

(2)$\overline{\mathit{\tau }}$=$\frac{\Vert {\overline{\mathit{F}}}_{\mathrm{t}}\Vert }{\overline{\mathit{A}}}$

式中:${\overline{\mathit{F}}}_{\mathrm{n}}$为平行黏结法向力;${\overline{\mathit{F}}}_{\mathrm{t}}$为平行黏结切向力;${\overline{\mathit{M}}}_{\mathrm{b}}$、${\overline{\mathit{M}}}_{\mathrm{t}}$分别为弯曲力矩和扭曲力矩;$\overline{\mathit{R}}$为颗粒接触半径;$\overline{\mathit{A}}$为平行黏结横截面面积;$\overline{\mathit{I}}$为颗粒接触惯性矩;$\overline{\mathit{\beta }}$为力矩贡献因子,默认值为1。

强度准则采用 Mohr-Coulomb 准则,其表达式为

(3)${\overline{\mathit{\tau }}}_{\mathit{c}}$=$\overline{\mathit{c}}$-$\overline{\mathit{\sigma }}$tan$\overline{\mathit{\varphi }}$

式(3)中:$\overline{\mathit{c}}$、$\overline{\mathit{\varphi }}$ 分别为平行接触的黏聚力和摩擦角。当拉应力大于最大法向应力或者剪应力大于最大剪切强度时,则黏结部分就会破坏,此时,线性平行黏结模型退化为线性接触模型,其模型破坏示意图如图6所示。

3.2 PFC2D细观参数的标定与模型验证

泥岩单轴试验的数值模拟模型建立过程如图7所示,根据室内试验模型,将模拟试样尺寸设为50 mm×100 mm,经过伺服达到平衡后,程序共生成7 753个颗粒,共15 019个连接。将侧向墙体删除保留上下墙体作为加载板,模拟试验中通过控制位移来对试样进行加载,本文模拟试验均采用位移加载方式,利用上下板以恒定的速率相向运动进行轴向加载,直至试样发生破坏。试验的加载速率为0.01 m/s。

PFC^2D中细观参数取值决定着试样的宏观力学特性,采用目前比较通用的“试错法”来确定模型的细观参数。本文中建模与试样A19的室内单轴试验所作对比,根据对不同参数的不断试错,得到如表1所示的细观参数取值。

最后得到的试验结果与数值模拟应力应变曲线如图8所示,可以看出无论是室内试验还是数值模拟所得的应力-应变曲线均呈现了先逐渐增大,待达到峰值后骤降的趋势,即将到达峰值前曲线较之前稍平缓些,这是试样从弹性向塑性转变的一个过程,随着试样达到峰值后破坏,也出现了峰后软化的现象,这与泥岩的蠕变特性^[27]有关,整体符合泥岩的应力-应变曲线,具有明显的压密—弹性—塑性—峰后软化四阶段特征。

根据观察也可以看出,两者的曲线有一定不重合,主要体现在峰值前的压缩过程和残余阶段,峰值前的压缩过程是由于泥岩试件本身内部存在一定的微小裂隙,在圧密过程中使得微小裂隙产生了闭合,而数值模拟试验由于在加载前已经初始伺服,因此压密阶段只在最初的时候有一小段随后便进入弹性阶段,所生成的曲线也较平滑些;峰值后残余阶段由于数值模拟是由位移控制加载速率,当试样达到峰值强度后,加载系统继续强制施加位移,使得模拟试样内部结构迅速崩溃,因此应力急剧下降。而在实际试验中,加载设备的响应特性、试样与加载板之间的相互作用等因素,会使得应力下降过程更为平缓。

4 数值模拟结果分析

由于PFC颗粒流软件在分析整个破坏过程具有优势,可以在不同时刻记录其裂纹扩展、力链演化以及位移速度等数据,因此根据所得应力-应变图(图8),选取压密-弹性转变点(A),弹性-塑性转变点(B),峰值点(C),破坏后残余强度达到峰值强度70%点(D)以及最后破坏暂停点(E)这5个点作为之后分析过程所选点,并且将各点简写名称用于下文,所对应轴向应力以及应变数据如表2所示。

4.1 裂纹扩展过程

泥岩在单轴试验条件下呈脆性破坏,在加载过程中利用PFC^2D软件自带FISH函数对其进行监测。在加载的初始阶段,模型还没有明显的破坏特征,随着持续加载率先出现张拉裂纹,并且速度迅速增长,此时可以观察到试样上开始不断出现裂纹,待一段时间后出现少许剪切裂纹,但是增长速度缓慢。增长过程还是以张拉裂纹为主,此时在试样表面开始呈现较为密集的集中裂纹,随着达到应力峰值点,试件发生瞬时破坏,裂纹开始随着轴向继续扩展,并且伴随着部分试块脱落,变形也越来越大,整体失去承载能力。

裂纹数目随应变变化曲线及裂纹扩展情况如图9所示。在声发射监测中振铃次数可以反映岩体的微小裂纹和损伤的程度^[28],根据其在每一时步的振铃数目可以得出材料裂纹扩展的活跃程度,可以看出当开始产裂纹时振铃数第一次记录,在裂纹扩展到最高点时振铃次数最大。最终生成1 031条裂纹,其中张拉裂纹994条,剪切裂纹37条,试件呈劈裂型破坏,基本贯穿整个试件。

裂隙玫瑰花图中所有方向的线性构造方位汇总在一张图内,角度范围为0°~180°,可以直观显示出不同方向裂缝的密度和方位,将生成的裂纹进行统计,制作裂隙玫瑰花图,如图10所示。可以看出,90°附近裂隙数量最多,因为大部分裂纹是竖直形态的裂纹,这与试样的破坏模式相符合。

4.2 应力演变过程

利用PFC^2D软件可以有效获取泥岩试样力链的分布特征,颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,通常把若干颗粒组成可以传递较大力的链状结构称为强力链,弱力链则传递较小力^[29]。

泥岩模拟试样各点在破坏过程中的力链分布如图11所示。从图11可以看出,在A点基本都为稀疏蓝色短程力链,并且分散分布,此时主要为孔隙压密阶段,只有少量力链承担荷载;BC阶段可以发现深色力链数量激增,并且形成连续网络,此时处于弹性向塑性过渡阶段,颗粒重排引发微裂缝萌生,在C点已经有少许力链发生断裂;到D点时轴向力链断裂增多,斜向次级力链开始发育,CD阶段的力链断裂带(图中浅色稀疏区)与实验中观测的“轴向劈裂裂缝”位置高度重合,验证了裂纹优先在黏结薄弱区萌生并沿最大主应力扩展的结论;达到E点时力链断裂破碎化,只残留了孤立力链团簇。总的来说从细观尺度提供了“力链重分布触发宏观失稳”的直接证据,也为预测隧道工程围岩渐进破坏提供新视角。

4.3 位移演变过程

为深入分析单轴压缩试样破坏过程的位移场演化机制,依荷载-变形历程划分特征阶段,各阶段位移云图特征与力学行为如图12所示。

从图12中可以看出,压密-弹性转化点(A点)位移量级<0.1 mm,呈全域均匀分布态势,此时图中有随机散落圆点,对应原始孔隙、微裂隙闭合,试样整体发生均匀压缩的力学行为;弹塑性转化点(B点),两侧仍为蓝绿色,揭示塑性变形始于试样中段,微裂纹沿轴向成核,声发射事件同步起始;峰值点(C点)轴向出现带状黄区,主控破裂面定向扩展;残余强度70%点(D点)蓝区扩大,对应次级剪切带发育,主控带两侧岩体卸荷扩容,呈现剪胀效应;破坏暂停点(E点)红区破碎化为孤立斑块,全域位移梯度骤降,表明结构解体,块体间摩擦滑移替代黏结传力,残余强度由接触面粗糙度维持。

4.4 孔隙分布特征分析

随着对裂纹演化揭示其损伤路径,应力演化了解阶段特征以及位移场变现出的变形特征,通过对其孔隙分布的探究可以更为细致地反映其细观结构与损伤变形的内在关联。

一个试样不同部位孔隙率通常存在差异,这是由于材料本身的非均质性、制备过程的随机性以及受力变形时的不均匀损伤等因素所致^[30-31]。

从图13中可以看出,开始压密阶段,孔隙分布没有明显局部化特征,孔隙率集中在0.15~0.2,试样内部原始的微小孔隙优先被压缩闭合,等达到峰值点(C点)时,局部的孔隙率开始上升,低孔隙蓝区明显颜色加深,而高孔隙区集中在左下角和右上角,孔隙由于“扩容效应”(剪切变形导致颗粒错动、空隙增大)局部化明显;至残余强度70%点(D点)时,高孔隙带加宽,低孔隙带向外扩展且边界愈发模糊,更多区域参与“塑性变形-损伤”过程,除右上角孔隙分布增高之外,其余全域孔隙率分布均趋于0.15~0.18;到达破坏暂停点(E点)后,可以发现主控损伤带(裂纹集中处)孔隙均升高,笔者认为这是由于破坏后断裂带块体离散,各块体接触面之间重新咬合所致。

根据岩石力学原理,结合各阶段云图求得其平均孔隙率与各阶段裂纹扩展及连接断裂关系如图14所示。其力学行为从0~b的过程孔隙率逐渐下降,表示试样承受压力孔隙闭合,各黏结键也未发生断裂,只是在压力的作用下更加紧密,呈现出的颜色越来越深;bc阶段为稳定阶段,孔隙率变化十分微小,开始出现一些微小裂纹,右上角色块颜色变浅,部分键发生断裂;此时达到弹性极限承载;ce阶段裂纹超临界扩展,引发结构崩溃,孔隙率升高,黏结键大部分断裂变疏,色块颜色变浅。

4.5 能量演化分析

在泥岩的单轴压缩过程中,裂纹的萌生到扩展、应力场的分布演化及位移场的梯度变化,直观展现了宏观力学响应的表象特征,而这些现象的本质离不开能量的传递、转化与耗散。从外部荷载输入能量到内部损伤演化耗能,能量始终是贯穿材料从弹性变形到最终破坏全过程的核心纽带。

根据热力学定律,泥岩在单轴压缩过程中的计算公式为

(4) U=U_e+U_d

式(4)中:U为系统输入总应变能;U_e、U_d分别为系统试验过程中产生的岩体弹性应变能及耗散应变能。

根据图15可以看出在峰值前符合岩体破坏能量守恒原理,总能为应变能和耗散能之和(U_d=U_阻尼+U_胶结+U_动+U_滑移),但是在峰值后明显总能不等于二者之和,这一现象根据高琳^[32]所描述,其根源在于软件底层算法设计,而非真实物理过程,主要是非接触性能量未被统计。当试样完全破碎后,颗粒可能脱离接触成为“游离状态”,其重力势能变化未被纳入现有能量跟踪体系,此外还有时步积分导致的人为能量损失,因此在峰值后的能量计算公式可修正为

(5) U_实际=U_应变+U_胶结+U_阻尼+U_动能+U_重力+U_数值

式(5)中:(U_应变+U_胶结+U_阻尼+U_动能)为计入项,(U_重力+U_数值耗散)为计算缺失项。

在峰值前,总能量随应变持续增长,反映外部荷载不断输入能量胶结能和应变能同步骤升,占据了加载初期的主导,呈线式增长,在到达峰值后键结断裂时胶结能断崖式下跌;应变能对应弹性变形储能及损伤后弹性应变释放;阻尼能前期基本为0,在胶结能下降的同时阻尼能开始上升,体现加载过程中颗粒摩擦、黏结滑移等不可逆变形的能量耗散;动能始终趋近于0,表明模拟满足“准静态”假设,能量以变形、损伤耗散为主,无显著颗粒惯性运动;滑移能后期缓慢增长,标志损伤区颗粒摩擦滑移加剧。整个过程的能量演化规律,通过能量分配与耗散特征,定量揭示了细观黏结损伤、颗粒摩擦滑移对宏观力学响应的控制机制。

5 结论

(1)单轴压缩下泥岩的应力-应变曲线呈现明显的压密—弹性—塑性—峰后软化四阶段特征,在破坏过程中基本为纵向裂纹并且伴有表皮脱落。

(2)数值模拟通过细观参数反演所得结果与实际试验基本一致(实验与模拟的峰值强度误差<3.3%,所对应的应变基本在0.014附近),其破坏过程的细观机制为裂纹优先在颗粒接触黏结薄弱区(强度<平均值的23%萌生),并沿最大主应力方向(偏角<15°)扩展形成贯通性劈裂裂缝,与实验观测的轴向张拉破坏模式一致。

(3)基于五阶段点(压密-弹性转化点、弹塑性转化点、峰值点、残余强度至峰值70%点、破坏暂停点)的云图协同分析,孔隙率从0.166增至0.226触发位移场梯度突变(位移梯度峰现于峰值点(损伤累积最快),而高位移区峰值出现在残余强度至峰值70%点(破裂充分发展),同时胶结键断裂率突破40%,三者协同驱动宏观脆性张拉破坏,这也是泥岩由细观破坏机制反映宏观破坏机制的过程。

(4)泥岩的单轴压缩模拟过程中,试样的边界能前期主要以弹性应变能和胶结能的形式储存,峰值后裂纹扩展,阻尼能和滑移能占据主导位置,其中出现的能量“不守恒”其实是一部分能量在离散球体重力势能和时步过程中被耗散,因此并未被纳入现有能量跟踪体系,修正后的公式仍然符合热力学定律。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52568059)

国家自然科学基金(U2468217)

甘肃省交通运输厅科技项目(2024-48)

兰州交通大学天佑青年人才托举项目(1520260306)

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Received	Published	Revised
2025-07-31	2026-05-28	2026-01-09
Online Date
2026-08-07

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