肖尊群，王 鑫，湯東桑，董瓊英，姜亦男，楊 凱，曹童童，鄧 震

典型巴東組泥質(zhì)粉砂巖雙軸壓縮試驗(yàn)細(xì)觀組構(gòu)特征

肖尊群1,2，王 鑫1，湯東桑2，董瓊英1，姜亦男1，楊 凱2，曹童童1，鄧 震3

(1. 武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2. 武漢工程大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；3. 中國(guó)石油管道防腐工程有限公司，河北 廊坊 065000)

基于泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)雙軸壓縮試驗(yàn)，建立PFC2D顆粒流數(shù)值模型，以此來(lái)探究泥質(zhì)粉砂巖破壞的細(xì)觀機(jī)理?？紤]組成泥質(zhì)粉砂巖試樣的顆粒形狀，根據(jù)電鏡掃描圖勾選出5種典型顆粒形狀，與圓形顆粒一起生成給定孔隙率的穩(wěn)定數(shù)值試樣。顆粒間選用平行粘結(jié)接觸模型，選取彈性模量、泊松比、峰值應(yīng)力分別對(duì)飽和、天然狀態(tài)的泥質(zhì)粉砂巖試樣進(jìn)行不同圍壓下的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定，然后進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M，分析試樣在雙軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中顆粒法向接觸力、切向接觸力、配位數(shù)、孔隙率等細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的分布特征和演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：雙軸壓縮試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定可不考慮抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角值的影響。破壞前后，試樣各方向統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)都存在法向接觸力和切向接觸力。圍壓的存在影響試樣的起始配位數(shù)、孔隙率和試樣破壞后的穩(wěn)定配位數(shù)和孔隙率，對(duì)配位數(shù)和孔隙率的改變速率影響很小。試樣空間孔隙率的演化在一定程度上反映了試樣破壞時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變遷，能更加直觀地反映試樣的破壞模式。

雙軸壓縮試驗(yàn)；微觀組構(gòu)；切向接觸力；法向接觸力；配位數(shù)；細(xì)觀參數(shù)；演化

紅色泥質(zhì)粉砂巖是典型巴東組紅層中軟巖的代表，遇水具有一定的膨脹性，是華中地區(qū)常見(jiàn)的特殊性巖土。對(duì)巴東組紅層中軟巖的研究主要集中在宏觀物理力學(xué)特性[1-2]、工程地質(zhì)特征[3]、軟弱夾層特性[4-5]等方面。目前的研究主要是通過(guò)X射線衍射[6]、電鏡掃描[7-8]、巖樣壓縮試驗(yàn)[9]等手段獲得紅層軟巖的礦物成分、顆粒組成、孔隙率[10-11]特征以及抗壓強(qiáng)度特征等，對(duì)于紅層中軟巖雙軸壓縮過(guò)程中微觀組構(gòu)演化規(guī)律方面研究很少?；陬w粒流理論的二維PFC2D離散元程序是研究巖樣壓縮試驗(yàn)微觀組構(gòu)演化規(guī)律的重要手段[12]，可以將細(xì)觀模型參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)建立聯(lián)系，模擬巖石的基本力學(xué)特性，獲取壓縮過(guò)程中裂紋的發(fā)生發(fā)展，孔隙率、法向和切向接觸力以及配位數(shù)的演化過(guò)程，從細(xì)觀層面解釋巖樣雙軸壓縮條件下的變形和破壞機(jī)制等。

巖樣的雙軸壓縮試驗(yàn)是一個(gè)三維問(wèn)題，PFC2D顆粒流模型將其簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，一方面可以減小試樣的最低孔隙率限制，另一方面可以獲得更加直觀的試樣裂縫擴(kuò)展路徑。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用PFC2D模擬巖石三維受荷條件下的各類力學(xué)行為。Chong Zhaohui等[13]采用PFC2D模擬三維受荷條件下各向同性頁(yè)巖橫向水力壓裂的力學(xué)行為；Zhou Jian等[14]采用PFC2D模擬三維受荷條件下巖樣流體驅(qū)動(dòng)圓孔破裂的力學(xué)行為；Li Xuefeng等[15]采用PFC2D模擬巖石的脆性斷裂和鉆具切削過(guò)程。上述研究文獻(xiàn)從一定程度上說(shuō)明采用二維離散元模型對(duì)三維受力問(wèn)題的簡(jiǎn)化具有可行性。

平行粘結(jié)接觸模型能傳遞力和力矩，被廣泛應(yīng)用于模擬巖石內(nèi)部顆粒相互作用。本文以微風(fēng)化紅色泥質(zhì)粉砂巖樣在飽和、天然兩種狀態(tài)下的雙軸壓縮試驗(yàn)宏觀力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立考慮顆粒形狀的雙軸壓縮試驗(yàn)PFC2D數(shù)值模型，采用變模量法對(duì)試樣的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，重點(diǎn)研究不同浸水條件、不同圍壓下試樣法向、切向接觸力、配位數(shù)等主要微觀組構(gòu)參數(shù)演化規(guī)律，探尋巴東組泥質(zhì)粉砂巖在雙軸壓縮條件下破壞的細(xì)觀機(jī)理。

1 PFC2D雙軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

1.1 數(shù)值試樣的制備

顆粒形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要的影響，采用電鏡掃描對(duì)泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描，結(jié)果如圖1所示，泥質(zhì)粉砂巖呈碎屑結(jié)構(gòu)，礦物顆粒形狀明顯。生成模型時(shí)，考慮顆粒形狀對(duì)試樣力學(xué)性能的影響，根據(jù)電鏡掃描圖勾勒出5種典型的顆粒形狀，并根據(jù)這些形狀，生成相應(yīng)形狀的，如圖2所示。這些形狀的和圓盤形狀顆粒隨機(jī)生成相應(yīng)孔隙率的數(shù)值試樣，如圖3所示。顆粒流模型尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)試件尺寸一致，試樣寬50 mm，高100 mm。數(shù)值模型中，初始孔隙率為15%，顆粒密度為2.64×103kg/m3。

圖2 典型顆粒形狀

圖3 數(shù)值試樣

1.2 細(xì)觀物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)標(biāo)定

圖4 顆粒間平行粘結(jié)模型

采用定量法標(biāo)定各參數(shù)。通過(guò)室內(nèi)不同圍壓下巖樣雙軸壓縮試驗(yàn)得到材料的宏觀力學(xué)參數(shù)，即彈性模量、抗壓強(qiáng)度σ、應(yīng)力–應(yīng)變曲線；采用單軸壓縮試驗(yàn)獲得巖樣的泊松比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

保持其他細(xì)觀參數(shù)不變，改變某一個(gè)細(xì)觀參數(shù)，得出該細(xì)觀參數(shù)對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)參數(shù)，重復(fù)該操作，找出該細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。在雙軸壓縮前期，存在微裂隙閉合階段，應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系呈非線性，為得到較好的模擬效果，本文采用變模量法，即在加載初期，通過(guò)設(shè)置自定義函數(shù)，使彈性模量隨加載時(shí)間實(shí)時(shí)變化，這種處理可以得到與實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)高度吻合的應(yīng)力–應(yīng)變模擬曲線；同時(shí)，該自定義函數(shù)只在加載初期起作用，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值時(shí)，該函數(shù)不再運(yùn)行，不影響細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定。泥質(zhì)粉砂巖各細(xì)觀參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表1 泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)雙軸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表2 泥質(zhì)粉砂巖顆粒接觸細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

在進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定時(shí)，未考慮、值對(duì)細(xì)觀參數(shù)的影響。用表2中的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行不同圍壓的雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M，根據(jù)模擬結(jié)果繪制旨在計(jì)算巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、的摩爾應(yīng)力圓，獲得數(shù)值試樣的、值與室內(nèi)試驗(yàn)獲得、值非常接近，見(jiàn)表3。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

1.3 雙軸壓縮過(guò)程的試樣破壞模式控制

圖5 不同壓力飽和泥質(zhì)粉砂巖試樣破壞數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)照片對(duì)比

圖6 不同壓力天然泥質(zhì)粉砂巖試樣破壞數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)照片對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)應(yīng)用于PFC2D顆粒流模型中，進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M。圖7、圖8分別為飽和試樣和天然試樣的PFC2D模型與室內(nèi)雙軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力–應(yīng)變對(duì)比曲線。由圖可以看出，不同圍壓下的巖樣對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力差異較大，無(wú)論是飽和試樣還是天然試樣，在雙軸壓縮前期都存在微裂隙閉合階段，因此，在應(yīng)力–應(yīng)變曲線前期，曲線特征并沒(méi)有表現(xiàn)為線彈性變化。采用變模量法標(biāo)定參數(shù)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類巖石雙軸壓縮試驗(yàn)的模擬，數(shù)值試驗(yàn)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)在達(dá)到峰值應(yīng)力前有較好的擬合度。

3 試樣的微觀組構(gòu)分析

3.1 接觸力方向分布的變化規(guī)律

a.不同軸向應(yīng)變下接觸力方向分布演化 對(duì)各試樣雙軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，不同軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的試樣內(nèi)部顆粒間的平均法向接觸力、平均切向接觸力大小、方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制玫瑰花圖，通過(guò)玫瑰花圖可以獲得試樣在整個(gè)雙軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中接觸力的演化過(guò)程。圖9為圍壓3 MPa時(shí)，飽和泥質(zhì)粉砂巖雙軸壓縮過(guò)程中接觸力在不同軸向應(yīng)變下(軸向應(yīng)變分別為0.5%、1%、1.5%(已破壞))的法向接觸力和切向接觸力大小、方向統(tǒng)計(jì)玫瑰花圖。圖9中，徑向極軸表示某個(gè)方向統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)所有接觸的平均接觸力，N；環(huán)向?yàn)榻y(tǒng)計(jì)范圍的方位角，(°)。由圖9a可知，飽和泥質(zhì)粉砂巖試樣在不同軸向應(yīng)變狀態(tài)下的接觸力分布形式相似；破壞前，法向接觸力隨軸向應(yīng)變的增大而增大，破壞后法向接觸力降低；發(fā)生破壞時(shí)，試樣在各方向都存在一定大小的法向接觸力，最大法向接觸力分布范圍為試樣上下加載端。由圖9b可知，試樣顆粒切向接觸力分布也有類似的規(guī)律，試樣在左上角、左下角、右上角、右下角切向接觸力最大，與試樣發(fā)生剪切破壞的裂隙擴(kuò)展方式基本吻合。無(wú)論是法向接觸力還是切向接觸力，在試樣發(fā)生破壞時(shí)，試樣內(nèi)法向接觸力和切向接觸力在各個(gè)統(tǒng)計(jì)方向均有存在，與單軸壓縮試驗(yàn)不同，說(shuō)明圍壓條件下，試樣發(fā)生破壞時(shí)具有一定的承載能力。

圖7 飽和泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線對(duì)比

圖8 天然泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線對(duì)比

圖9 不同軸向應(yīng)變下飽和泥質(zhì)粉砂巖接觸力分布的玫瑰花圖(3 MPa)

b.試樣破壞時(shí)的法向接觸力分布 繪制不同圍壓下飽和、天然狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖達(dá)到破壞時(shí)的法向接觸力分布玫瑰花圖，如圖10所示。圖10a顯示，不同圍壓下飽和泥質(zhì)粉砂巖接觸力的分布形式基本一致，但不同統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)法向接觸力存在差異，不同圍壓下的法向接觸力分布圖形并不相似。整體來(lái)說(shuō)，圍壓越高，飽和泥質(zhì)粉砂巖試樣破壞時(shí)，法向接觸力越大。不同統(tǒng)計(jì)范圍，圍壓對(duì)法向接觸力的影響也不同，無(wú)論是增加幅度還是增加比例在不同統(tǒng)計(jì)角度范圍都不一樣。圖10b顯示，圍壓對(duì)試樣破壞時(shí)的法向接觸力影響較飽和狀態(tài)的試樣復(fù)雜，圍壓為9 MPa時(shí)，法向接觸力最大，其次是圍壓12、6和3 MPa。由于圍壓的存在，無(wú)論是飽和狀態(tài)還是天然狀態(tài)試樣，試樣破壞時(shí)，試樣兩側(cè)顆粒間依然存在法向接觸力。

c.試樣破壞時(shí)切向接觸力分布 繪制不同圍壓下泥質(zhì)粉砂巖達(dá)到破壞時(shí)的切向接觸力分布玫瑰花圖，如圖11所示。圍壓對(duì)顆粒間切向接觸力的影響比較復(fù)雜，無(wú)論是飽和狀態(tài)還是天然狀態(tài)，圍壓9 MPa時(shí)，切向接觸力最大，其次為圍壓12、6和3 MPa。圍壓對(duì)各角度范圍內(nèi)的切向接觸力影響不同，增加比例和增加大小不一致。圍壓不能改變顆粒間切向接觸力的分布范圍，只能改變顆粒接觸力大小，切向接觸力玫瑰花圖呈“蝴蝶”狀。

d.不同狀態(tài)下的顆粒接觸力分布差異 以3 MPa圍壓為例，圖12為試樣破壞時(shí)天然和飽和泥質(zhì)粉砂巖試樣顆粒法向接觸力和切向接觸力統(tǒng)計(jì)玫瑰花圖。相同圍壓下，天然狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖試樣顆粒接觸力比飽和狀態(tài)下的大。試樣浸水后，宏觀表現(xiàn)上，試樣雙軸抗壓強(qiáng)度發(fā)生損失；從細(xì)觀角度看，可以理解為浸水條件降低了組成巖樣細(xì)觀顆粒之間的平行粘結(jié)接觸參數(shù)。因此，泥質(zhì)粉砂巖的水穩(wěn)定性較差，飽和狀態(tài)下，抗壓強(qiáng)度損失較大，這不利于暴雨條件下巖體邊坡的穩(wěn)定性，而不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度可以反映不同埋深處路塹邊坡巖體穩(wěn)定性。從圖12還可以看出，浸水條件僅能改變?cè)嚇宇w粒接觸力大小，不能改變顆粒接觸力分布范圍。

圖10 試樣顆粒法向接觸力分布

圖11 試樣顆粒切向接觸力分布

圖12 不同狀態(tài)下試樣顆粒接觸力分布對(duì)比

3.2 不同圍壓的配位數(shù)演化關(guān)系

配位數(shù)為單個(gè)顆粒平均接觸數(shù)，是反應(yīng)巖樣微觀組構(gòu)重要參數(shù)，配位數(shù)的演化關(guān)系直接反應(yīng)巖樣雙軸壓縮過(guò)程中顆粒之間相對(duì)移動(dòng)程度。圖13a和圖14a分別為飽和、天然狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖配位數(shù)隨時(shí)間的演化關(guān)系。由圖13a和圖14a可知：雙軸壓縮試驗(yàn)前期，不同圍壓下的配位數(shù)幾乎沒(méi)有變化；隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)圍壓為3、6、9 MPa時(shí)，試樣配位數(shù)開(kāi)始下降的時(shí)間點(diǎn)基本一致；但圍壓12 MPa時(shí)試樣配位數(shù)開(kāi)始下降的時(shí)間點(diǎn)明顯高于其他圍壓，說(shuō)明只有當(dāng)圍壓超過(guò)9 MPa才能影響配位數(shù)的初始演化拐點(diǎn)位置。

從圖13a和圖14a還可看出：不同圍壓下，配位數(shù)進(jìn)入下降階段的曲線變化斜率基本相同，但配位數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定階段的時(shí)間點(diǎn)和數(shù)值不一致；在配位數(shù)演化曲線進(jìn)入穩(wěn)定階段后，仍然會(huì)有一定的跳躍。

圖13b和圖14b分別為飽和、天然試樣配位數(shù)隨裂隙數(shù)的演化曲線，圍壓對(duì)初始配位數(shù)和最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的配位數(shù)影響明顯，不同圍壓對(duì)應(yīng)的初始配位數(shù)都不一致；隨著加載的進(jìn)行，裂隙數(shù)量增大，配位數(shù)逐步減小，最后趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖13 飽和泥質(zhì)粉砂巖配位數(shù)演化曲線

圖14 天然泥質(zhì)粉砂巖配位數(shù)演化曲線

3.3 不同圍壓的孔隙率演化關(guān)系

a.孔隙率時(shí)間演化規(guī)律 孔隙率是研究試樣內(nèi)部相對(duì)位移及裂隙發(fā)育的一個(gè)重要參數(shù)。圖15a和圖16a分別為不同圍壓下飽和、天然泥質(zhì)粉砂巖孔隙率與加載時(shí)間演化關(guān)系。圍壓對(duì)試樣的起始孔隙率影響較大，圍壓3、6、9和12 MPa對(duì)應(yīng)的起始孔隙率分別為14.6%、14.2%、13.6%、13.1%。隨著加載的進(jìn)行，孔隙被壓縮，孔隙率減??；隨著進(jìn)一步加載，試樣破壞，孔隙率出現(xiàn)不同程度的升高。無(wú)論是飽和試樣還是天然試樣，當(dāng)圍壓為3、6 MPa時(shí)，在試樣破壞時(shí)孔隙率表現(xiàn)為急劇增大，試樣更趨向于脆性破壞；當(dāng)圍壓為9、12 MPa時(shí)，孔隙率表現(xiàn)為緩慢增大，試樣更趨向于塑性破壞。浸水條件對(duì)試樣孔隙率隨時(shí)間演化的影響較小，主要集中在試樣破壞的時(shí)間點(diǎn)上。圖15b和圖16b分別為不同圍壓下飽和、天然泥質(zhì)粉砂巖孔隙率與裂隙數(shù)演化關(guān)系。演化曲線的起始階段，孔隙率隨裂隙數(shù)的變化不大，曲線處于平穩(wěn)狀態(tài)，隨著裂隙數(shù)量的增加和原有裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，飽和試樣的孔隙率隨裂隙數(shù)量的增加而迅速增大，天然試樣除6 MPa圍壓的情況外，3、9、12 MPa圍壓下，孔隙率隨裂隙數(shù)變化也不明顯。

圖15 飽和泥質(zhì)粉砂巖孔隙率演化曲線

圖16 天然泥質(zhì)粉砂巖孔隙率演化曲線

b.孔隙率空間演化分析 在每個(gè)數(shù)值試樣內(nèi)部設(shè)置200個(gè)測(cè)量圓，如圖17所示。監(jiān)測(cè)不同軸向應(yīng)變條件下每個(gè)測(cè)量圓的顆粒孔隙率，然后在試樣范圍繪制孔隙率等值線云圖。

圖17 試樣測(cè)量圓分布

飽和試樣和天然試樣不同圍壓、不同軸向應(yīng)變對(duì)試樣的孔隙率等值線，分別如圖18和圖19所示。從圖18—圖19可知，飽和試樣和天然試樣在破壞前，即軸向應(yīng)變?yōu)?.5%和1.0%，各試樣孔隙率空間分布形式?jīng)]有變化，但各個(gè)位置孔隙率的絕對(duì)值有變化。當(dāng)試樣發(fā)生破壞后，即軸向應(yīng)變達(dá)到1.5%或2%，部分試樣的孔隙率分布形式發(fā)生了變化(圍壓3、6、9 MPa的飽和試樣以及圍壓6、12 MPa天然試樣)；部分孔隙率分布形式?jīng)]有發(fā)生變化(圍壓12 MPa的飽和試樣以及圍壓3、9 MPa的天然試樣)?？紫堵实目臻g分布演化在一定程度反映了裂縫的發(fā)生和發(fā)展。試樣破壞時(shí)，對(duì)應(yīng)的孔隙率等值線分布云圖在一定程度上反映了試樣的破壞模式，從等值線云圖可以看出，試樣的雙軸壓縮試驗(yàn)整體呈剪切破壞，破裂面產(chǎn)狀有所區(qū)別，其中圍壓9 MPa的天然、飽和試樣有兩條破裂面(破裂面處孔隙率較高)。

4 結(jié)論

a.在選用顆粒間平行粘結(jié)接觸模型對(duì)巖石雙軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行PFC2D數(shù)值模擬時(shí)，模型的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定時(shí)可只考慮彈性模量、泊松比和峰值應(yīng)力3個(gè)宏觀力學(xué)參數(shù)，可不考慮抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、值。

b.軸向應(yīng)變、圍壓和浸水條件只能改變數(shù)值模型統(tǒng)計(jì)角度范圍內(nèi)的顆粒接觸力分布大小，不能改變?cè)嚇咏佑|力統(tǒng)計(jì)的分布形態(tài)。顆粒間的接觸力隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，試樣破壞后，顆粒間的接觸力會(huì)顯著減小。

圖18 飽和泥質(zhì)粉砂巖孔隙率等值線演化云圖

圖19 天然泥質(zhì)粉砂巖孔隙率等值線演化云圖

c.圍壓對(duì)統(tǒng)計(jì)角度范圍內(nèi)接觸力的影響比較復(fù)雜。浸水條件降低了顆粒間的接觸細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)而降低壓縮試驗(yàn)時(shí)顆粒間的接觸力。無(wú)論是法向接觸力還是切向接觸力，在試樣發(fā)生破壞時(shí)，試樣內(nèi)各個(gè)統(tǒng)計(jì)方向都存在一定的接觸力，這與邊坡巖體破壞時(shí)，巖體本身依然存在一定的承載能力吻合。

d.圍壓對(duì)數(shù)值試樣的起始配位數(shù)、加載破壞后的穩(wěn)定配位數(shù)影響很大，對(duì)配位數(shù)下降的加載時(shí)間點(diǎn)有一定影響，但對(duì)配位數(shù)下降速率影響很小，試樣破壞后，配位數(shù)進(jìn)入跳躍穩(wěn)定期。

e.圍壓越大，試樣起始孔隙率越小，隨著加載的進(jìn)行，各圍壓下的試樣孔隙率下降，下降速率基本一致，試樣破壞后，圍壓對(duì)孔隙率的演化影響較大，影響也比較復(fù)雜。根據(jù)試樣孔隙率空間演化等值線云圖可以更加直觀地展現(xiàn)試樣的破壞模式，通常情況下，試樣破壞前，孔隙率等值線云圖的形式基本一致，試樣破壞后，不同圍壓下的孔隙率等值線云圖表現(xiàn)不一樣，部分形式發(fā)生改變。

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[1] 余宏明，胡艷欣，唐輝明. 紅色泥巖風(fēng)化含礫粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與物理性質(zhì)相關(guān)性研究[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2002，21(4)：93–95. YU Hongming，HU Yanxin，TANG Huiming. Research on the relativity between the strength of red mudstone weathered pebble soil and physical characters[J]. Geological Science and Technology Information，2002，21(4)：93–95.

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The microscopic fabric characteristics of biaxial compression test of typical argillaceous siltstone in Badong Formation

XIAO Zunqun1,2, WANG Xin1, TANG Dongsang2, DONG Qiongying1, JIANG Yinan1, YANG Kai2, CAO Tongtong1, DENG Zhen3

(1. Xingfa School of Mining Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430000, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430000, China; 3. China Petroleum Pipeline Anti-corrosion Engineering Co. Ltd., Langfang 065000, China)

Based on the indoor biaxial compression test of argillaceous siltstone, a numerical model of PFC2Dparticle flow was established. The model considered the particle shape of the argillaceous siltstone samples. Five typical particle shapes were selected according to the scanning electron microscope, and the circular particles were selected. A stable numerical sample of a given porosity was randomly generated together. The parallel bond contact model was selected between the particles, and the elastic modulus, Poisson’s ratio and peak stress were selected to calibrate the meso-parameters of the saturated and natural argillaceous siltstone samples under different confining pressures, and then the biaxial compression test was carried out. The simulation analysis of the distribution characteristics and evolution of the meso-structure parameters such as particle normal contact force, tangential contact force, coordination number and porosity during the biaxial compression test were analyzed. The test results show that the meso-parameter calibration of the biaxial compression test can ignore the influence of the shear strength indicatorsand. Before and after the failure, the normal contact force and the tangential contact force existed between the particles in the statistical range of the sample in all directions. The presence of confining pressure affects the initial coordination number of the sample, the porosity and the stable coordination number and porosity after the sample is destroyed, and has little effect on the rate of change of coordination number and porosity. The evolution of the spatial porosity of the sample reflects the change of the internal structure when the sample is destroyed to a certain extent, which can reflect the failure mode of the sample more intuitively.

biaxial compression test; microstructure; tangential contact force; normal contact force; coordination number; mesoscopic parameters; evolution

TU4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.025

1001-1986(2020)02-0161-10

2019-05-14；

2020-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51804222)

National Natural Science Foundation of China(51804222)

肖尊群，1982年生，男，湖北武漢人，博士，副教授，從事巖體力學(xué)、土動(dòng)力學(xué)方面的研究工作. E-mail：547309418@qq.com

王鑫，1995年生，男，湖北十堰人，碩士研究生，從事巖體力學(xué)方面的研究. E-mail：1024028184@qq.com

肖尊群，王鑫，湯東桑，等. 典型巴東組泥質(zhì)粉砂巖雙軸壓縮試驗(yàn)細(xì)觀組構(gòu)特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：161–170.

XIAO Zunqun，WANG Xin，TANG Dongsang，et al. The microscopic fabric characteristics of biaxial compression test of typical argillaceous siltstone in Badong Formation[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：161–170.

(責(zé)任編輯 周建軍)