MultiFracS软件研究泥岩在湿度扩散作用下的微破裂行为和能量演化

【最新论文】Wang T, Yan CZ*, Zheng H, Zheng YC, Wang G. Microfracture behavior and energy evolution of heterogeneous mudstone subjected to moisture diffusion. Computers and Geotechnics. 2022,150:104918. (SCI, IF=5.218)

水对泥岩的微观结构和泥岩地层的稳定性有着很大影响。由于泥岩内部含有大量的黏土矿物，导致其遇水之后发生膨胀变形、破坏甚至崩解并伴随着能量的积累与释放。为了揭示水引起泥岩劣化的机理和能量演化特征，本文采用MultiFracS软件的湿度扩散-断裂耦合模型借助Weibull函数来考虑泥岩矿物吸水膨胀的非均质性，研究了泥岩遇水后的微破裂行为和能量演化。结果表明颗粒间膨胀变形不协调是导致泥岩遇水发生微破裂的主要原因，且泥岩吸水劣化不仅发生拉伸破坏，而且还发生了大量的剪切破坏。动能演化分为三阶段，应变能演化取决于泥岩吸水破坏过程中膨胀储存能量的速率和微破裂释放能量速率的大小，当膨胀储存能量速率大于微破裂释放能量速率时，应变能演化过程分为两个阶段，反之则分为三个阶段。此外，还讨论了均质度系数，膨胀系数，含水率和湿度传导系数对泥岩破裂形态和能量演化的影响，并对微裂纹形态进行了定性描述，对不同因素下泥岩中拉裂纹占比进行定量分析。最后，研究了不同湿度边界条件下泥岩的破裂形态和能量演化，其中四周加湿边界条件下泥岩的破裂形态与实验结果表现出较好的一致性。本文的研究结果为泥岩边坡和滑坡在降雨入渗后的稳定性评价, 泥岩地层沉降的敏感性分析以及高湿度环境下软岩隧道的变形预测等工程应用提供参考。

图 1.含水率对泥岩吸水过程中的动能和应变能演化的影响。

图. 2. 均质度系数对(a)最终微裂纹形态和(b)节理单元断裂数量的影响。

图3. (a)泥岩吸水过程中的湿度演化和微破裂行为; (b)不同时刻微裂纹形态。