本文是一篇土木工程论文，本文以断续三裂隙黄砂岩为研究对象，分析中心裂隙倾角、垂向偏移量对断续三裂隙黄砂岩力学性能及裂纹扩展规律的影响，并结合数字图像处理技术和 PFC 颗粒流模拟软件进一步进行了研究。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
岩石作为一种复杂的天然介质，是构成地壳岩石圈的主要成分，在长期复杂的地质作用下，天然岩石内部产生了众多的微裂纹、节理、孔洞等缺陷，正是因为这些裂隙缺陷的存在，使得岩石本身具有非均质性、各向异性、不连续性的特点，因而岩石强度特性和变形破坏规律变的极为复杂，使人们始终难以完全了解复杂岩石的力学性质。
岩体的失稳破坏过程实质上就是其裂纹在受力扰动下的萌生、扩展及贯通的过程，同时，由于岩体中裂隙形式的复杂性和多样性，致使工程中岩体破坏形式也多种多样，难以预测。在工程建设中，由于外荷载的增加及人工扰动作用，致使岩石内部新生微裂纹及原有裂纹之间发生扩展贯通，岩石承载力急剧下降发生失稳破坏。
岩体失稳导致的工程事故屡有发生：2011 年 4 月，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道的局部坍塌事故，造成 12 人死亡；2014 年 3 月，贡山独龙族怒族自治县独龙江公路隧道的岩爆事故，造成了 3 名施工人员遇难；2015 年 3 月，湖北黄石大冶铜山口矿的围岩坍塌事故，导致 4 死 1 伤；2019 年 5 月，在建的青岛地铁 4 号线沙子口静沙区施工段发生坍塌，造成 3 人死亡 2 人失踪……而岩层倾角较大、节理发育、岩体破碎、岩层间结合力较差等是导致此类事故发生的主要原因，诸如此类工程事故频频发生，不仅影响了工程施工进度，还对人民的生命和财产安全构成了极大的威胁。
工程实践及理论研究表明，岩石中裂隙倾角、垂向偏移距的存在会对岩石的强度及变形特征造成不同程度的削弱。而断续三裂隙黄砂岩作为工程施工中常见的岩石类型，其力学性能的优劣直接影响到工程施工进度和安全性。因此，研究含裂隙岩体在荷载作用下力学特性、裂纹扩展及其贯通破坏规律对工程稳定性和安全性评价尤为重要，尤其在隧道及地下工程方面意义巨大。目前国内外针对裂隙岩石的研究主要集中在同种加载速率下含单、双裂隙岩石试样的研究，本文针对岩石内部普遍存在的微裂隙、微孔洞，以天然岩石材料——断续三裂隙黄砂岩为研究对象，通过对天然岩块进行加工，制得含预制裂隙的断续三裂隙黄砂岩试样，进而研究不同应变速率下中心裂隙倾角、共轭裂隙垂向偏移量对岩石力学特性及裂纹扩展演化规律的影响，以期为含节理裂隙以及断层的地下工程建设提供一定参考。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
H.Horii[1]和 S.Nemat 通过单轴试验研究了含有预制裂隙的岩石，并且发现在加载过程中裂隙尖端首先是形成翼型裂隙，而后经过进一步加载之后这些裂隙就会贯通形成剪切破坏面；Brace[2]等人通过单轴压缩试验研究了含有单个倾斜裂隙的脆性岩石，分析得到了裂隙所发生的扩展会偏离原裂隙面发生的扩展，并且得出结论的偏离角大约在 70°左右；O.Reyes[3]和 H.H.Einstein 等人对含两条叠合与非叠合预制裂隙的砂岩进行实验探究，并且研究出了具有两种不同裂纹表现形式的破坏模式；A.Bobet[4]和 H.H.Einstein 等人研究了包含两种不同裂隙分布形式的岩样在单轴压缩试验下它的岩桥贯通以及其岩样的集中破坏模式，并且通过更深一步的研究发现含两种不同裂隙分布形式的岩样的破坏模式与岩样的破坏模式有着密切联系；R.H.C.Wong[5]等人通过将类砂岩模拟材料与含有微裂隙的真实岩石材料做比较研究了不同裂隙倾角对含有预制裂隙岩样贯通机理的影响，并且他们在含有两条预制裂隙岩样的基础上，通过单轴压缩对含有三条预制裂隙及三条以上多条裂隙的岩样的力学特性进行了探究,研究表明:预制裂隙的倾角以及分布形式都会影响多裂隙的岩样的岩体贯通和岩样的破坏模式；Nolen-Hoeksema[6]通过对试样破坏模式及尖端裂纹扩展过程进行了大量分析，得到单轴压缩条件下试样裂纹与裂隙分布及扩展规律。为了探究裂隙扩展过程，Peng，Johnson[7]、Sangha 等[8]在不同轴向加载条件下对试样进行大量试验，总结出试样裂隙扩展发育机理。试验证明，随着裂隙发育演化，裂隙长度会逐渐增加；随着外荷载的增加，次生裂纹数量会不同程度的增大；Sano[9]通过大量试验数据分析得出，裂隙间相互影响的主要因素是裂隙密度与裂隙的距离：当裂隙密度低且间距较大时，裂隙间的影响会很微弱，伴随着裂隙的不断扩展，裂隙间的相互影响表现相对明显；Rammurthy 等[10]通过统计大量试验数据并分析，定义了岩石非线性破坏形式并对单节理岩体强度进一步探究，并总结出单轴压缩条件下单节理岩体强度经验公式；Adams 和 Sies[11]通过模拟单轴下币状裂隙的扩展及试样破坏过程，发现三维缺陷裂纹扩展比二维理论分析预测的裂纹扩展方式更为复杂，指出缺陷动态行为的重要性；
第 2 章 试验设计及断续三裂隙黄砂岩力学特性
2.1 试验设计
2.1.1 试验方案
为探究不同应变速率下中心裂隙倾角、共轭裂隙垂向偏移距对预制断续三裂隙黄砂岩力学特性，裂纹扩展演化规律及破坏模式的影响，本文主要以室内单轴压缩试验为主，基于数字图像处理技术（DIC）分析断续三裂隙黄砂岩受压过程中应变场的变化，进一步对断续三裂隙黄砂岩裂纹扩展规律进行阐释。
本试验所用砂岩采集自四川省某矿区，颜色为黄色，主要成分为长石、石英及部分碎屑，该断续三裂隙黄砂岩为细晶结构，结晶程度高，硬度较大，宏观均匀一致，平均密度为 2530kg/m3，经实验室精加工制备成尺寸为宽度(W)×高度(H)×厚度(T)=60mm×120mm×30mm 的完整长方体岩块，在此基础上利用水刀精确切割，制备成含预制裂隙的断续三裂隙黄砂岩试样，如图 2-1 所示。其中，裂隙宽度 b 均为 4mm，中心裂隙长度 2a 为 16mm，裂隙倾角为α；共轭裂隙长度 a 为8mm，其纵向偏移距 d 为 10mm，垂向偏移距为 h。裂隙分别命名为 A、B、C，各裂隙尖端按顺时针方向进行编号，依次为 1→2→3→4。
2.2 试验原理及试验仪器
2.2.1 岩石失稳破坏试验原理
裂隙岩石的失稳破坏是由于微裂纹的萌生、扩展和贯通最终形成宏观破坏面导致的，裂隙岩体失稳破坏一般呈现出脆性破坏的特征，可分为四个阶段：
如图 2-2 所示，单轴压缩下断续三裂隙黄砂岩大致经历了以下 4 个阶段：
a. 裂隙压密闭合阶段（oa）：轴向应力应变曲线呈上凹型，这是由于岩样内部存在的初始裂隙和孔隙随轴向应力的增加，逐渐被压密闭合所致，此阶段主要为塑性变形。
b. 弹性变形阶段(ab)：岩样内初始裂隙和空隙闭合后，轴向应力持续作用于岩样上，试样开始发生线弹性变形，并伴随应力集中发生裂隙尖端起裂现象，伴随荷载增加裂纹稳定扩展发育，应力与应变在此阶段近似正比的关系。
c. 裂纹萌生及发育阶段(bd)：裂隙尖端初始裂纹由于应力集中的影响，开始沿轴向扩展延伸，到达 c 点处，出现轻微的波动，表现出非线性变形特征；
d. 失稳破坏阶段(d 点之后)：裂隙砂岩宏观裂纹开始出现，并迅速沿岩样端面或侧面延伸。峰值应力达到 d 点附近，其轴向应力迅速跌落为 0，岩石的变形主要表现为沿断裂面的滑移，试样发生脆性破坏。
第 3 章 单轴压缩下试样破坏过程分析...........................19
3.1 单轴压缩下初始裂纹萌生规律分析...........................19
3.1.1 中心裂隙倾角对初始裂纹萌生影响...............................19
3.1.2 垂向偏移距对初始裂纹萌生的影响............................21
第 4 章 断续三裂隙黄砂岩应变场演化规律................................39
4.1 断续三裂隙黄砂岩应变演化特征分析..............................39
4.1.1 中心裂隙倾角对断续三裂隙黄砂岩应变场演化规律的影响..................39
4.1.2 垂向偏移量对断续三裂隙黄砂岩应变场演化规律的影响.....................44
第 5 章 断续三裂隙黄砂岩单轴压缩试验颗粒流模拟.....................................52
5.1 离散元颗粒流简介.............................52
5.2 断续三裂隙黄砂岩单轴压缩数值模型..............................52
第 5 章 断续三裂隙黄砂岩单轴压缩试验颗粒流模拟
5.1 离散元颗粒流简介
颗粒流分析程序（Particle Flow Code）提供了一个通用的独立元素建模框架，其中包括一个计算引擎和一个图形用户界面。其独特的颗粒元素构成模型被称为离散元 PFC 模型，包含 2D 和 3D 模型。离散元模型可以模拟许多有限尺寸颗粒集合，分析颗粒的运动轨迹和颗粒间的相互作用。在离散元建模过程中，认为颗粒是有限质量的刚体，彼此独立运动并且可以平移和旋转，颗粒间的相互作用会产生力和力矩，颗粒之间内力和力矩相互作用法则体现了接触力学的应用。颗粒流模拟适用范围较广，被广泛应用于现代工程实际中。
结论与展望
1、主要研究工作和结论
在复杂多样的裂隙岩体对工程施工影响越发显著的背景下，本文以断续三裂隙黄砂岩为研究对象，分析中心裂隙倾角、垂向偏移量对断续三裂隙黄砂岩力学性能及裂纹扩展规律的影响，并结合数字图像处理技术和 PFC 颗粒流模拟软件进一步进
