基于应力场演化特征的红砂岩中单裂纹扩展机制研究

《Scientific Reports》：Study on the crack propagation mechanism of single cracks in red sandstone based on stress field evolution characteristics

　　

摘要

为了阐明裂缝倾角对红砂岩力学响应的影响以及裂纹扩展的机制，本研究采用离散元软件PFC2D构建了一个单裂缝砂岩模型。在不同的裂缝倾角α下进行了数值单轴压缩试验。通过将“应力场–微裂纹”耦合准则与裂缝起始位移场特性相结合，本研究定量分析了峰值强度和裂缝起始应力的分段增强模式，系统地阐明了微裂纹的起始和扩展机制。结果表明，随着α的增加，裂缝表面的法向夹持效应增强，使得裂缝表面附近区域更难首先达到损伤阈值。微裂纹的活动方式逐渐从“在裂缝表面中部优先扩展”转变为“在裂缝尖端更容易触发”，从而导致宏观裂纹路径从低倾角下的局部控制转变为高倾角下与高应力区域的同步扩展（这种一致性在较大倾角下更为明显）。力学响应表现为随着倾角的增加，起始应力和峰值强度均有所提高，且在较大倾角范围内增强趋势更为显著。此外，首次产生声发射（AE）信号所需的应变值增加，发生AE事件的应变范围变窄，峰值振荡次数也增加。裂缝起始应力从11.5 MPa（α = 0°）增加到25.0 MPa（α = 90°），增幅约为117%；峰值应力从24.2 MPa增加到33.6 MPa，增幅约为39%。微裂纹数量随累积应变的增加而呈指数增长，其中以拉伸裂纹为主，表明岩石试样表现出以拉伸为主的脆性破坏机制。这些研究结果为在受控裂缝倾角条件下识别破坏模式以及进行工程稳定性评估提供了一个基于应力阈值的解释框架。