岩石物理力学性质对断裂附近地应力场的影响

第22卷 第3期

岩石力学与工程学报 22(3)：370～377

2003年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2003

2001年8月20日收到初稿，2001年10月16日收到修改稿。

* 高等学校博士学科点专项科研基金(RFDP ，1999024719)和国土资源部“九・五”重点基础研究资助项目。

作者 苏生瑞 简介：男，博士，1984年毕业于西安地质学院(现长安大学)，现为博士后，从事深埋长大隧道地质预报和环境工程地质方面的研究工作。

岩石物理力学性质对断裂附近地应力场的影响∗

苏生瑞

1，2

朱合华1

王士天3 Stephansson Ove 4

(1同济大学地下建筑与工程系 上海 200092) (2长安大学地质工程系 西安 710054) (3成都理工大学环境与土木工程学院 成都 610059) (4瑞典皇家工学院 斯德哥尔摩 10044)

摘要 应用离散元方法模拟研究了断裂两侧岩石的物理力学性质(包括岩石内摩擦角、弹性模量、泊松比、粘聚力等)对其附近地应力场的影响。这些因素对断裂附近的地应力场均有不同程度的影响，它们的改变均能使主应力方位和量值发生变化。而且，岩石物理力学性质的影响与断裂力学性质、边界条件等的影响是互相联系的。分别研究了单一断裂和复合断裂模型，在复合断裂模型中，断裂两侧岩石的弹性模量对应力变化的影响最大。 关键词 岩石力学，地应力场，断裂，岩石物理力学性质，离散单元法，数值模拟 分类号 O 346.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)03-0370-08

EFFECT OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS ON

STRESS FIELD IN THE VICINITY OF FRACTURES

Su Shengrui

1，2

， Zhu Hehua 1

， Wang Shitian 3， Stephansson Ove 4

(1Department of Geotechnical Engineering ，Tongji University ， Shanghai 200092 China )

(2Department of Geological Engineering ，Chang’an University ， Xi’an 710054 China )

(3College of Environmental and Civil Engineering ，Chengdu University of Technology ， Chengdu 610059 China ) (4School of Civil and Environmental Engineering ，Royal Institute of Technology ， Stockholm 10044 Sweden )

Abstract In this paper ，by systematic numerical modeling by the distinct element method with UDEC code ， the effect of physical and mechanical properties of rocks including internal friction angle ，Young’s modulus ，Poisson’s ratio ，and cohesion on stress field in the vicinity of fractures are analyzed. It is shown that the variation of all of these properties may cause the change of stress fields in the vicinity of a fault. Meanwhile ，the effect of physical and mechanical properties of rocks co-exists with that caused by the change of mechanical properties of fractures and boundary conditions. In the modeling ，both the single fracture model and compound fracture model are studied respectively. It is found that the Young’s modulus of rocks has a strong influence on the variation of rock stresses in the case of compound fracture model.

Key words rock mechanics ，rock stress field ，fractures ，physical and mechanical properties of rock ，distinct element method ，numerical modeling 1 引 言

国内外大量的地应力测量结果表明，断裂构造，

不论其规模大小，都能对其附近的应力状态产生一

定的影响，而且这种影响十分复杂[1]。任何断裂都

有两个基本组成，即断层面和两侧的围岩。虽然断裂的运动是沿断层面发生的，但本质上是断层两侧岩体的相对运动。因此，断裂附近的应力场应该同

时受到断裂本身和两侧的岩体的物理力学性质的影

第22卷第3期苏生瑞等. 岩石物理力学性质对断裂附近地应力场的影响 • 371 •

响。研究断裂的力学性质和断裂两侧岩体的物理力学性质的影响无疑对探讨造成断裂附近应力的变化及其机理具有重要意义。作者等曾研究了单一断裂和复合断裂对地应力场的影响[2～4]。本文从断裂两侧的岩体的主要物理力学性质入手，应用离散元方法进行数值模拟分析，研究断裂两侧的岩石的物理力学性质(变形模量、剪切模量、内摩擦角、粘聚力)对其附近的地应力场的影响，进而探讨断裂附近应力场变化的规律和机理。

2 基本假设

为了研究引起断裂附近应力方向改变的因素，作出如下假设：(1) 平面应变状态；(2) 岩石为均匀的弹性各向同性材料；(3) 断裂为完全弹性的材料；

(4) 测量到的应力为受断裂影响而产生的局部应力；(5) 边界应力为区域应力，作用的方向垂直于边界。

3 单一断裂

3.1模型的几何形状和边界条件

考虑一个水平面上的正方形模型，一条断裂将其分割为两个块体，断裂走向与区域最大主应力的夹角为α。模型受到垂直于边界的区域平面应力场的作用(图1)。把区域最大主应力与最小主应力之比(σ1/σ2)定义为边界应力比(K b)。模型的底部约束。过断裂的中点垂直于断裂布置一条检测线(参见图1)，

图1 模型的几何形状和边界条件

Fig.1 Geometry and boundary conditions of the model

计算结束后沿该线采集有关数据以进行分析。显然，随着断层与边界走向之间的夹角的变化，检测线的位置是变化的。为此，为了统一表达结果，在后面的分析中，除特殊说明外，检测线的起点都是在模型的左边界或上边界上，终点都在模型的右边界或下边界上，沿检测线的读数是按等间距读取的。3.2模拟结果分析

(1) 岩石内摩擦角的影响

假定边界应力比为1.25，区域最大主应力与断裂的夹角为30°，并且断裂的力学性质和岩石的弹性模量、泊松比、粘聚力不变，分析岩石的内摩擦角对断裂附近的应力的影响。结果表明，岩石的内摩擦角对断裂附近应力的变化有一定影响，但影响相对较小。断裂附近的最大主应力和剪应力均随着岩石内摩擦角的减小而变小(图2)。断裂附近的应力方向的变化幅度也因岩石内摩擦角的不同而不同，总的趋势是随内摩擦角的增大，应力方向变化的幅度减小，但这种变化不是十分明显。通过对比可以看出，岩石内摩擦角发生变化时，主应力方向的差别并不明显。因此，岩石内摩擦角对断裂附近的应力状态影响较小。

图2 岩石内摩擦角对应力量值的影响(K b = 1.25，σ1 = 25 MPa，α= 30°，c = 2 MPa，φ=15°)

Fig.2 Effect of internal friction angle of surrounding rocks on stress magnitude(K b = 1.25，σ1 = 25 MPa，α= 30°，c =

2 MPa，φ=15°)

(2) 岩石的弹性模量的影响

假定岩石的泊松比为0.25，断裂的内摩擦角为18°，断裂和边界最大主应力方向之间的夹角为30°

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