薄层状红页岩细观破坏特性研究.pdf

薄层状红页岩细观破坏特性研究马振乾，周浪，左宇军，张吉民，邹义怀，曹云钦(贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)摘要:为研究层状红页岩细观破坏特性，采用 DSTD-1000 型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验，对碎屑进行 SEM 电镜扫描和 XRD 衍射实验，获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此，利用离散元 PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型，并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明：(1)层理倾角=30、45、60、75时，试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况，当=45、60、75时，裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多，导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明，=0、75、90时，微观裂纹倾向分布较为均匀，主要平行于或次平行于加载方向，加载破坏后表现出强烈的各向异性；1560时，微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4)考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的 36.6%60.3%，裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的 75.1%90.4%，与大量物理实验所求阈值范围吻合，表明此法对于求解裂纹应力阈值具有一定的适用性。关键词：红页岩；细观破坏；赤平极射投影；岩石组构；裂纹萌生应力；裂纹损伤应力中图分类号：P589.1 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)10-0104-10StudyonmesoscopicfailurecharacteristicsoflayeredredshaleMA Zhenqian,ZHOU Lang,ZUO Yujun,ZHANG Jimin,ZOU Yihuai,CAO Yunqin(School of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:To study the mesoscopic failure characteristics of the layered red shale,uniaxial mechanical experiments werecarried out by applying DSTD-1 000 electro-hydraulic servo rigid pressure on the red shale with different beddingangles.Meanwhile,SEM and XRD experiments were implemented on debris to obtain its mechanical parameters,fail-ure characteristics,microstructure,and relative content of components.Based on this,models of the red shale with dif-ferent bedding angles were constructed using the discrete element PFC3D for the uniaxial compression experiments tostudy the mesoscopic failure characteristics of red shale.The results show that:(1)When the bedding angle=30,45,60 and 75,the samples fail along the bedding direction to produce a slip surface.(2)The crack evolution process ofsamples with different bedding angles shows the changes in the slow growth stage,accelerated growth stage,and stablestage.When=45,60 and 75,more cracks are generated in the unit strain in the crack evolution process,which leadsto the rapid slip failure of the sample along the weak plane of the bedding.(3)The stereographic projection of meso-cracks and the rock fabric diagram show that:the micro-cracks tend to be more evenly distributed,mainly parallel to orsub-parallel to the loading direction when=0,75 and 90,showing strong anisotropy after loading failure.When 1560,the micro-crack tendency gradually parallels to the bedding direction.(4)The crack initiation stress thresholdsolved by the elastic modulus method considering the crack evolution characteristics is 36.6%60.3%of the peakstrength of each bedding,and the crack damage stress threshold is 75.1%90.4%of the peak strength of each bedding,which is consistent with the threshold range obtained by a large number of physical experiments.It is indicated that the 收稿日期:2023-01-18；修回日期:2023-04-19基金项目:国家自然科学基金地区科学基金项目(52164003)；贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑2021一般 352 号)；贵州省优秀青年科技人才项目(黔科合平台人才20215610)；贵州省教育厅科技拔尖人才项目(黔教技2022072 号)第一作者:马振乾，1987 年生，男，河南商丘人，博士，教授，博士生导师，从事巷道围岩控制、矿山岩体力学等方面的教学与科研工作.E-mail：通信作者:周浪，1996 年生，男，贵州毕节人，硕士研究生，从事岩石力学方面的研究工作.E-mail： 第 51 卷 第 10 期煤田地质与勘探Vol.51 No.102023 年 10 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONOct.2023马振乾，周浪，左宇军，等.薄层状红页岩细观破坏特性研究J.煤田地质与勘探，2023，51(10)：104113.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0034MA Zhenqian，ZHOU Lang，ZUO Yujun，et al.Study on mesoscopic failure characteristics of layered red shaleJ.Coal Geo-logy&Exploration，2023，51(10)：104113.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0034method has certain applicability for solution of the crack stress threshold.Keywords:red shale;mesoscopic failure;stereographic projection;rock fabric;crack initiation stress;crack damagestress 层状岩体是常见的地质工程岩体，其横向各向异性对岩体的宏观力学性质(如抗压强度、抗拉强度、弹性模量等)、断裂力学行为有极大的影响1。受层理倾向和分布的影响，边坡、大坝、巷道等工程常常出现失稳现象2-3。以贵州省开阳磷矿区为例，磷矿埋深 600700 m，巷道开拓及采准工程布置在矿体下方的红页岩中，巷道矿压显现极为严重，给矿山安全开采带来了严重隐患。因此，深入开展层状红页岩细观破坏特性研究，是正确评价以红页岩为岩体工程的安全施工及合理支护参数的基础，具有重要的理论研究意义和工程价值。红页岩具有明显的薄层状层理构造，层理间距从几毫米到十几厘米不等4。受层状节理各向异性力学特性的影响，红页岩的强度和变形特征表现得较为复杂。实验方面，众多学者探讨了红页岩强度和变形的特性。Wang Dongyi 等5通过对红页岩成分分析，显微结构、强度特性及水软化试验等测试，揭示在原岩应力环境中或开采扰动下特定巷道中红页岩的失稳机理；李地元等6研究了不同干湿循环条件下红页岩的单轴抗拉强度和声发射累计能量的变化；He Manchao7、J.Hadizsde8等借助泥页岩软化试验，研究了泥页岩力学性能参数随含水率的变化规律；还有部分学者9-11围绕层理页岩的各向异性力学行为进行了大量的试验和理论研究。以节理为研究对象，国内外大量学者开展了深入研究。雷霆等12采用改进的建模方法建立了层状岩体数值试样，得到强度和变形随层理的变化。杨圣奇等13对不同层理页岩进行常规三轴压缩力学特性离散元模拟，得到强度随层理倾角和围压的变化情况。邓荣贵等14通过类层状岩体力学实验，得到节理数与岩石破坏的规律。另有学者15-18利用离散元法，研究了岩体破坏模式、力学性质节理变化的关系。综上，前人研究了层理红页岩软化性、抗压强度、抗拉强度等力学特性，并借助 PFC2D从节理角度出发，再现层理岩体破坏过程中裂纹的扩展过程。但实际工程中条件往往更为复杂，简化为二维问题后，计算结果存在一定偏差，故开展岩体细观破坏研究和三维数值分析极其重要。因此，为探究层理红页岩细观破坏特性，笔者基于 PFC3D的 PB(Parallel-Bond)本构模型建立红页岩数值模型，并用室内实验进行矫正，得到不同层理倾角试样单轴压缩下细观破坏特征。从裂纹演化过程、细观裂纹赤平极射投影、岩石组构、裂纹萌生应力和裂纹损伤应力多个角度分析细观破坏特征随层理倾角的变化，进一步深入了解层状红页岩的破坏规律，以期为红页岩巷道稳定控制提供借鉴与指导。1室内实验研究红页岩属于典型的节理岩体，节理倾向和分布对岩石的宏观力学性质起重要作用。在室内进行单轴压缩破坏、SEM 电镜扫描和 XRD 衍射实验，有助于了解红页岩微观结构和组分特点，为红页岩数值模型构建及细观破坏分析提供重要理论依据。1.1力学破坏模式将现场取回的红页岩岩块加工成直径 50 mm、高度 100 mm 的标准试件。利用 DSTD-1000 型电液伺服刚性压力机对标准红页岩试件进行单轴抗压强度测试，直至试件破坏，如图 1 所示。90层理倾角试样抗压强度最大，0、30次之，60最小，如图 1a 所示。从 00.20.40.60.8918273645应力/MPa应变/102(a)红页岩单轴应力应变曲线 0层理倾角试样 30层理倾角试样 60层理倾角试样 90层理倾角试样30609001020304050室内实验数值试验强度/MPa层理倾角/()(b)室内/数值破坏结果比较3090600图 1 室内测试/数值模拟结果比较Fig.1 Comparison between indoor experiment and numericalsimulation experiment第 10 期马振乾等：薄层状红页岩细观破坏特性研究 105 试件破坏结果可以看出，如图 1b 所示，当层理倾角=0时，试件破坏时产生贯穿基岩的裂缝，局部裂缝会沿层理扩展，表明此时破坏模式主要由基岩控制；当层理倾角=30时，试件沿层理破坏，表明此时破坏模式由层理控制；当层理倾角=60时，试件先后在基岩和层理中产生裂缝，这些裂缝扩展交汇形成岩石破坏时的主裂缝，表明此时破坏模式由基岩和层理共同控制；当层理倾角=90时，试件端面以一定角度开裂，并扩展贯通，最后产生贯穿基岩的裂缝，表明此时破坏模式又回归到由基岩控制。1.2微观结构分析对单轴压缩后的碎屑进行 SEM 电镜扫描和XRD 衍射实验，得到图 2 结果。图 2a、图 2b 分别为红页岩基岩和层理部分在标度为 200 nm 时电子显微镜下的微观样貌，从图中可以看出，红页岩具有明显的片状结构，相邻片状之间存在一定间隙。层理和基岩微观结构都具有齿状结构，微观上相互咬合固结，形成宏观层理基岩相间的红页岩。图 2c 为基岩 XRD 衍射图(图中百分数为矿物的质量分数)，由图可知，基岩中占比最大的 2 种矿物成分为石英 SiO2(质量分数为39.48%)和白云母(质量分数为 49.51%)，其他含量较少的有方解石、方钠石和赤铁矿，控制基岩宏观力学特性的主要是高含量矿物石英和白云母。图 2d 为层理 XRD 衍射图，高含量矿物种类及含量和基岩中一样，微量矿物比基岩中多，力学性质同样由石英和白云母控制。2细观破坏数值计算通过 1.2 节分析表明，层理为红页岩的弱面，具有齿状结构，与基岩成型时能相互咬合固结，基岩和层理各主要矿物成分和含量基本一致。文献 13,16 在采用 PFC 模拟岩石材料时，表明平行胶结模型能够较好地反映岩石材料的力学特性。基于此，采用平行胶结模型来模拟层状红页岩细观破坏特性，层理部分选用力学参数较弱的平行胶结模型。2.1模型构建在 PFC3D中生成直径 50 mm、高度 100 mm 的标准试样，颗粒与墙体之间采用线性模型，颗粒与颗粒之间采用平行胶结接触模型，颗粒半径采用随机分布，最小半径为 0.8 mm，最小与最大粒径比为 23，颗粒密 10203040506070802 0004 00002 0004 0006 0008 000 衍射曲线 计算曲线 误差曲线衍射角/()(c)基岩图谱衍射强度/(a.u.)赤铁矿3.07%石英39.48%方解石4.07%方钠石3.87%白云母49.51%10203040506070802 0004 00002 0004 0006 00010 0008 000 衍射曲线 计算曲线 误差曲线衍射角/()(d)层理图谱衍射强度/(a.u.)赤铁矿石英方解石方钠石白云石0.07%40.32%3.24%3.11%4.23%白云母 46.54%绿泥石 1.40%金红石 1.17%200 nm200 nm(a)200 nm基岩(b)200 nm层理图 2 红页岩微观结构及 XRD 衍射图谱Fig.2 Microstructure and XRD diffraction pattern of red shale 106 煤田地质与勘探第 51 卷度为 2 505.9 kg/m3，阻尼系数为 0.7。基于上述参数，以 60层理倾角为例，生成 31 967 个颗粒(其中基岩26 173 个，层理 5 794 个)，平行胶结接触 107 997 个。采用位移控制加载方式，位移速率 v 为 0.000 5 m/s。图 3 为层理倾角=60时的数值模型试样。100 mm50 mm加载板v=0.000 5 m/sv=0.000 5 m/szysssss=20 mm,d=1.8 mm,=60ddddd胶结弹性模量18.0 GPa胶结弹性模量10.8 GPa基岩层理注：x 和 y 分别为模型宽度方向和高方向；s 为层理间距；d 为层理厚度；为层理倾角。图 3 =60数值模型试样Fig.3 Schematic diagram of numerical model sample(=60)2.2细观参数标定根据单轴抗压实验情况，采用试错法，对细观参数进行标定，主要过程如下：建立层理倾角 0、30、60、90数值试样，赋予层理和基岩初始弹性模量，并对模量进行反复试验，使其与室内弹性模量一致。保持弹性模量不变，改变刚度比、内摩擦角及拉压比，使数值试验结果与室内实验结果相近。经过反复试验，得到红页岩细观参数见表 1，数值试验结果如图 1 所示。从图 1 可知，采用表 1 中红页岩细观参数所建立的数值模型在破坏模式和强度上与室内实验高度吻合，表明选用的细观参数较为合理。表1红页岩细观参数Table1Microparametersofredshale类别线性部分胶结部分弹性模量/GPa刚度比胶结弹性模量/GPa刚度比黏聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/()基岩18.01.518.01.5384935层理10.81.510.81.5162135 3细观破坏特性分析受现场取样条件的限制，15、45、75的层理倾角红页岩未取样成功，同时为分析不同层理倾角对红页岩数值模型破坏、裂隙演化、组构变化的影响，在上文参数标定的基础上，建立除 0、30、60、90之外的 15、45、75的层理倾角模型试样，对不同层理倾角数值模型试样进行细观破坏特征分析，以期得到层理倾角影响下岩石的细观破坏规律。3.1位移场图 4 为颗粒在峰值破坏后的位移矢量图，为了清晰观测到试样内部粒子位移矢量，利用 2 个相互垂直的剖面对试样进行剖析，如图 4h 所示。图 4 中并未显示颗粒，而是位移等值线，能够定量描述试样破坏时内部颗粒的滑移情况。如图 4a、图 4b 所示，层理倾角=0、15时，粒子位移没有明显的分层，试样端部位置产生明显位移，反映低层理倾角岩石端面易发生脆性破坏，=15时，由于倾角变大，使得岩石达到峰值强度产生的脆性破坏面积相较于=0时更大。层理倾角=30、45、60、75时，宏观上试样的破坏是沿层理倾角破坏，而微观颗粒位移场同样反映这种破坏模式，图 4c图 4f 中颗粒位移场出现明显的分层现象，分层位置即是层理面。特别地，=75时，粒子位移场分层数量多，表明试样宏观破坏时沿层理产生多个滑移面；=45、60时，试样破坏时沿中部层理产生唯一滑移面。=90时粒子位移场同样产生明显分层现象，但并非沿层理，而是沿基岩主导破坏产生的滑移面，如图 4g 所示。3.2裂隙演化及组构特征岩石是典型胶结材料，破坏的本质是当作用在颗第 10 期马振乾等：薄层状红页岩细观破坏特性研究 107 粒上的力超过颗粒断裂强度时，粒子之间的胶结键就会断裂，同时伴随着微裂纹的产生19。离散单元法(DEM)模拟岩石力学行为也是基于此理论，并能够在微观尺度上追踪粒子破坏过程中产生的裂纹情况(如裂纹数量、倾角和倾向)，以便更好地理解岩石材料受到应力时力学行为的微观机制。本研究过程中，注意到试样在加载前后的力链分布存在差异，图 5 为加载前后颗粒间接触力的大小及接触方向的空间分布情况。由于各层理倾角试样加载前接触力大小及接触方向空间分布基本一致，此处以=0举例说明。颗粒间接触力/N颗粒间接触力/N20.76119.50018.00016.50015.00013.50012.00010.5009.0007.5006.0004.5003.0001.50050.86548.10044.40040.70037.00033.30029.60025.90022.20018.50014.80011.1007.4003.700接触数接触数102.088.275.663.050.439.0157.0143.0114.485.857.228.614.0(a)加载前(b)加载后图 5 0层理倾角试样接触力及接触数空间分布Fig.5 Spatial distribution of contact force and contact number of sample(=0)从图 5 可知，试样加载前力链在空间上分布较均匀，表现出较好的各向同性。加载后试样力链分布主要在竖直方向，加载后试样表现出强烈的各向异性。为方便比较不同层理倾角试样裂纹演化曲线、裂纹分布情况及力链分布情况，将数值实验结果归纳并整理得到不同层理倾角试样细观裂纹演化及组构变化，如图 6 所示，分别为应力应变曲线、裂纹演化曲线、细观裂纹赤平极射投影(蓝色半圆线表示试样层理方向)和岩石组构图(颗粒接触在空间上的分布情况)。层理倾角=0时，微裂纹呈现缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况。试样加载初期几乎没有微裂纹的产生，在应力为 14.55 MPa 时，裂纹开始缓慢增加，这对应着裂纹萌生阶段的开始。应力为 28.36 MPa 时，裂纹出现加速增长阶段，对应着裂纹的损伤阶段。峰值强度后裂纹持续增加，峰后强度小于裂纹萌生应力时，裂纹数趋于稳定，不再增加，此情况适用于倾角=15、30、45、60、75和 90时的裂纹演化特征，倾角不同时所对应的裂纹萌生应力和裂纹损伤应力有所差异。此外，当层理倾角=45、60、75时，微裂纹加速增长阶段的增长速率较大，单 剖面层理基岩位移/mm位移/mm1.779 81.412 51.000 07.079 51015.011 91013.548 11012.511 91011.778 31011.258 91018.912 51026.309 61024.466 81023.162 31023.107 4102位移/mm2.086 11.905 51.318 39.120 11016.309 61014.365 21013.020 01012.089 31011.445 41011.000 01016.918 31024.786 31023.311 31022.663 6102位移/mm1.013 79.120 11015.888 41013.108 91012.454 71011.584 91011.023 31016.606 91024.265 81022.754 21021.778 31021.148 21027.413 11037.385 21031.025 68.709 61015.888 41013.981 11012.691 51011.819 71011.230 21018.317 61025.623 41023.801 91022.570 41021.737 81021.174 91029.762 11031.458 81.148 27.079 51014.365 21012.691 51011.659 61011.023 31016.309 61023.890 51022.398 81021.479 11029.120 11032.623 41033.866 31038.251 81015.754 41013.801 91012.511 91011.659 61011.096 51017.244 41024.786 31023.162 31022.089 31021.380 41029.120 11036.025 61034.059 01031.520 71.000 06.309 61013.981 11012.511 91011.584 91011.000 01016.309 61023.981 11022.511 91021.584 91021.000 01026.309 61035.068 6103位移/mm位移/mm位移/mm(a)0(b)15(c)30(d)45(e)60(f)75(g)90(h)剖面图 4 粒子位移场变化情况Fig.4 Change of particle displacement field 108 煤田地质与勘探第 51 卷位应变产生的裂纹数较多，这主要受层理倾角的影响，裂纹在低应变范围内迅速发展，宏观表现为试样破坏时沿层理产生滑移面。离散元 PFC 能够在微观尺度上追踪粒子裂纹发展情况，粒子间的接触键断裂时产生垂直于原接触键的裂纹20。岩石组构图是统计岩石接触数在空间上的分布情况，除反映出岩石材料各向异性的特点，还一定程度反映裂纹的空间分布。图 6 展示了不同层理倾角试样微裂纹倾向倾角与其相对数量关系的细观裂纹赤平极射投影和组构图。从细观裂纹赤平极射投影图中可以看出，层理倾角=0时，微观裂纹倾向分布较为均匀，受到软弱层理的影响，赤平极射投影与完整岩石单轴压缩时的赤平极射投影略有区别，但都表现出微裂纹主要平行于或次平行于加载方向的规律21。相应的岩石组构图表现为竖直方向上的接触数大于水平方向的接触数，反映出岩石材料加载破坏后表现出各向异性的特点，同时能表明产生的裂纹多数平行于加载方向。随着层理倾角的增加，试样破坏时产生的微裂纹渐渐向 2 个极点集中，相应层理角度的组构图水平方向上的接触数也在增加，表明此时产生较多与加载方向成一定夹角的微裂纹。在层理倾角增加至 60时，微裂纹数量在两级上达到最大值，同时试样接触数在水平方向分布达到最大值，表明此时由于受到层理倾角的影响，多数裂纹平行于层理方向，与加载方向呈大约 30夹角。当层理倾角为 75、90时，微裂纹由两极点逐渐向两边扩散，在水平方向上岩石组构接触数也减小，表明此时微裂纹倾向由与加载方向呈一定夹角逐渐变为平行于或次平行于加载方向。倾角/()应力应变曲线/裂纹演化曲线细观裂纹赤平极射投影岩石组构图 0153045接触数157.0143.0114.485.857.228.614.0zx接触数zx接触数zx接触数140.0123.098.473.849.224.617.0zxoooo接触数15413510881542719zx接触数zx接触数121.0101.080.860.640.420.0zx01801952102252402552702853003153303451530456075901051201351501650180195210225240255270285300315330345153045607590105120135150165018019521022524025527028530031533034515304560759010512013515016501801952102252402552702853003153303451530456075901051201351501650180195210225240255270285300315330345153045607590105120135150165018019521022524025527028530031533034515304560759010512013515016501801952102252402552702853003153303451530456075901051201351501650.10.20.30.401020304050轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线50101520 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10339.8 MPa破坏结果裂纹空间分布0.100.200.300.400.4501020304050轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线5010152520 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10338.9 MPa0.100.200.300.40010203040轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线50101520 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10336.8 MPa0.050.100.20 0.250.150147212835轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线42068 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10330.2 MPa35轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线10总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1030.5 MPa轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1037.8 MPa轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1045.2 MPa1.4261.2000.8000.40001.4101.2000.8000.40001.5751.2000.8000.40001.5611.2000.8000.4000Stereonet(equal area)Upper hemisphere18282 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere23014 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere7644 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere8653 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere23571 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere16192 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere17552 Poles1%area fisher conc第 10 期马振乾等：薄层状红页岩细观破坏特性研究 109 上述分析表明，层理倾角对岩石细观破坏特征有较大的影响。从裂纹演化、细观裂纹赤平极射投影和岩石组构方面总结层状岩体破坏时的细观特征，主要如下：(1)层理倾角=30、45、60、75时，试样沿层理方向破坏产生滑移面，特别地，=45、60时，试样破坏只沿最大层理位置产生一个滑移面；=0、15、90时，试样端部产生脆性破坏。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况，整个过程中剪切裂纹数量最多，拉伸裂纹数量略少。特别地，=45、60、75时，裂纹演化过程中的加速增长阶段单位应变产生裂纹数较多，导致试样迅速沿层理滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明，=0时，微观裂纹倾向分布较为均匀，主要平行于或次平行于加载方向，加载破坏后表现出强烈的各向异性；1560时，微裂纹倾向逐渐向层理方向平行，水平方向上的接触数出现逐渐增加的现象；7590时，微裂纹倾向重新平行或次平行于加载方向，同时水平方向上的接触数骤减，表现为加载破坏后强烈的各向异性。4讨论与分析4.1层理效应影响特征层理属于岩石软弱结构面，如图 7a 所示，不同层理倾角对岩石强度影响较大，倾角=45、60时，此时试样强度最小，=90时所对应的试样强度最大，约为最低强度的 1.5 倍。图 7b 为试样破坏后拉伸裂纹、剪切裂纹和总裂纹数随层理倾角的变化。当=45、60时，此时试样破坏产生的裂纹数最少，宏观表现为沿层理产生一个滑移面，而=15、90时试样破坏产生裂纹数最大。整体上看，裂纹数量随层理倾角变化呈“U”形(以 45和 60为“U 形”谷底)，与抗压强度随层理倾角变化趋势相似。4.2微裂纹萌生损伤机制岩石破坏的实质是内部微裂纹的萌生发展贯通过程，对岩石内部微裂纹的损伤演化过程一直是岩土领域内的研究热点，裂纹萌生应力22-23和裂纹损伤应力24等概念也随之涌现。裂纹萌生应力阈值可确定长期强度的下限25，裂纹损伤应力阈值可确定岩石的屈服强度26，确定裂纹应力阈值常用的方法是基于应力应变关系的岩石体积应变、裂纹体积应变、侧向变形刚度和切线弹性模量法27，此外还有扫描电子 倾角/()应力应变曲线/裂纹演化曲线细观裂纹赤平极射投影岩石组构图607590接触数zx接触数149.0139.0111.283.455.627.810.0zx接触数114.0103.286.068.851.634.428.0zx接触数zxooo接触数zx接触数1591501209060309zx接触数zx0180195210225240255270285300315330345153045607590105120135150165018019521022524025527028530031533034515304560759010512013515016501801952102252402552702853003153303451530456075901051201351501650180195210225240255270285300315330345153045607590105120135150165018019521022524025527028530031533034515304560759010512013515016501801952102252402552702853003153303451530456075901051201351501650180195210225240255270285300315330345153045607590105120135150165轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1039.8 MPa破坏结果裂纹空间分布轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1038.9 MPa轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1036.8 MPa轴向应力/MPa轴向应变/102应力应变曲线总裂纹数拉伸裂纹剪切裂纹裂纹数/1030.2 MPa0.05 0.100.20 0.250.280.150147212835轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线4206108 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10330.5 MPa0.05 0.100.20 0.250.280.150168243240轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线6309151812 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10337.8 MPa0.070.140.210.28 0.350918273645轴向应力/MPa轴向应变/102 应力应变曲线5010152520 总裂纹数 拉伸裂纹 剪切裂纹裂纹数/10345.2 MPa1.4721.2000.8000.40001.4601.2000.8000.40001.5881.2000.8000.4000Stereonet(equal area)Upper hemisphere18282 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere23014 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere7644 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere8653 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere23571 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere16192 Poles1%area fisher concStereonet(equal area)Upper hemisphere17552 Poles1%area fisher conc图 6 细观裂纹演化及组构变化Fig.6 Microscopic crack evolution and fabric change 110 煤田地质与勘探第 51 卷显微镜、光弹性、超声波探测和声发射技术等28-29。本文基于应力/裂纹演化应变关系，采用数学微分法求解裂纹萌生应力和裂纹损伤应力，以层理倾角 0为例，如图 8 所示。015304560759001020304050