压剪耦合与湿度变化下泥质粉砂岩蠕变行为的数值模拟研究

《Ocean Engineering》：Numerical simulation on creep behavior of argillaceous siltstone under compression-shear coupling and humidity variations

本文通过PFC2D数值模拟，系统研究了泥质粉砂岩在压剪耦合应力与湿度变化条件下的蠕变行为。研究揭示了湿度与应力状态对材料蠕变力学特性的显著影响，明确了微裂纹主要在75%τ至峰值剪切应力τ区间形成并驱动宏观破坏的机制。该成果为海底隧道等岩土工程长期稳定性评估与灾害防控提供了关键理论依据。

　　

接触模型

本研究采用PFC^2D中的三种内置接触模型来模拟压剪耦合试验和蠕变试验，如图1所示。其中，线性模型（Linear）和线性平行粘结模型（PBM）相结合用于模拟压剪耦合试验。在此基础上，通过引入伯格斯模型（Burgers model）进一步细化模型，以捕捉压剪耦合下的蠕变行为。

剪切应力-位移曲线

图9展示了各实验组的强度包络线，而图10则呈现了剪切应力-位移曲线。实验与模拟结果对比显示，在0 MPa围压下，模拟的剪切强度与实验值高度吻合。然而，在轴向和侧向位移方面存在显著差异。在3 MPa和6 MPa围压下，剪切强度和剪切位移的偏差更为明显。

时间依赖性剪切位移曲线

图12比较了四个实验组通过模拟和实验获得的蠕变时间-位移曲线。各组的蠕变参数均根据第2.4.2节所述方法，以第一级剪切应力下的时间-位移曲线为参考进行校准。在第一级剪切应力下，模拟曲线与实验曲线匹配良好。随着剪切应力水平的增加，湿度的影响变得越来越显著。

压剪过程中的裂纹分布

图17至图20展示了各实验组在加载过程中微裂纹发展的演化过程，其中微裂纹总数呈现出三个明显的增长阶段：缓慢增长、快速增长和爆发式增长。为了分析样品在剪切载荷下的微观断裂机制，定义了四个加载阶段（50%τ_p、75%τ_p、τ_p和破坏）来表征微裂纹的进展。最初，微裂纹在矿物颗粒边界和预制缺陷处形成。

结论与展望

本研究关注的力学行为有别于传统的单一加载条件，特别聚焦于在复杂的压剪耦合应力状态下，湿度变化如何影响泥质粉砂岩中的水岩相互作用。目前，关于此类耦合条件下瞬时和长期力学特性的研究仍然有限。为弥补这一空白，本研究采用PFC^2D建立了一个简化模型，旨在揭示其潜在的力学机制。