张杰等：循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟 637. uniaxial compression test results.The stage of crack development during rock failure is analyzed by compiling particle flow code to track the type and propagation process of cracks.Results indicate that the orientations of new cracks in fractured rocks with different dip angles are similar to those of the preexisting cracks.Further,the relation between the crack initiation angle and the inclination angle of the preexisting cracks is obtained according to the tendency of new cracks.The crack initiation angle of shear and tension cracks decreases and increases monotonically,respectively,when the inclination angle B s45 and B>60.The cyclic disturbance load increases the axial deformation of the fractured rock mass,and the axial cumulative residual strain curve exhibits an inverse S-shape when entering the acceleration stage faster with the increasing upper stress limit.The peak strength of the model specimen shows a decreasing trend followed by an increasing trend with the increasing fracture inclination.The peak strengths of the laboratory-intact rock are 63%to 89%,indicating an obvious deterioration phenomenon in the rock materials.The growth of shear and tension cracks show different characteristics under cyclic load;the growth rate of tension cracks is considerably higher than that of shear cracks during the unstable crack development stage.The results presented in this study may be used as reference to investigate the deformation and failure mechanisms of rock materials. KEY WORDS microstructure;cyclic load;crack orientation;crack propagation;particle flow 天然岩体中存在的微裂隙和宏观裂纹对地下 的裂纹比单调加载下的裂纹更加明显.Ghamgosar 工程结构的稳定性有着显著的影响.裂隙岩体的 等进行了循环荷载作用下岩石破裂过程的实验 力学性质决定了岩体的强度和岩体受压破坏的机 研究，认为岩石中裂纹扩展由微裂纹的萌生与合 制-)，围岩的失稳和破坏往往是由这些内部裂隙 并导致.祝艳波等I使用MTS815力学试验系统 的扩展和贯通诱发引起为此，许多学者采用 研究了石膏质岩在不同循环应力加载条件下的微 天然岩石、类岩石材料模型和数值分析模型开展 观结构特征和疲劳寿命.何明明等研究了不同 了相关工作6，从不同角度研究了单裂隙和多裂 应力振幅条件下的砂岩变形特性，以屈服应力作 隙岩石在特定试验条件下裂隙萌生和扩展问题， 为循环加载过程中硬化和软化特性变化的分界 对裂隙岩体翼裂纹和次生裂纹的扩展形态、破坏 点.任松等20采用声发射与核磁共振分析技术研 模式和应力场的变化规律有了较深入的认识 究，发现饱水砂岩细碎裂隙较大裂隙体积之比与 岩石起裂应力研究以裂纹应变模型为基础， 循环过程相关 通常以完整岩体起裂应力定义裂隙岩体的起裂应 上述研究成果有助于正确认识裂隙岩体的破 力，Cai等山根据试验结果计算出多节理岩体起裂 坏机理，但现有循环扰动荷载作用下岩体新生裂 应力为其峰值应力的0.4~0.6倍，王桂林等21计算裂 隙的扩展特征研究还不够充分.目前，扰动荷载作 隙砂岩的起裂应力水平在0.6~0.7之间.Afolagboye 用下裂隙岩石的研究仍以室内试验为主，裂隙岩 等研究了裂隙倾角和岩桥长度对裂纹起裂位 体取样、预制裂隙精度控制和矿物颗粒黏结等问 置、扩展路径的影响.Bobet和Einstein!4探究了 题均对研究结果产生影响.采用数值分析模型进 岩体在受压过程中，翼裂纹和次生裂纹的扩展形 行研究，能够考虑岩石中细观组分的类型和分布， 态和破坏模式，赵海军等)分析了非连续结构面 便于探究微细观破裂的具体演化过程.因此，本文 对岩体力学特性的影响，认为裂隙产状与最大主 以三山岛金矿花岗岩试块为研究对象，采用图像 压应力取向夹角及围压大小决定其破裂特征.唐 处理技术建立基于花岗岩试件细观组分的颗粒流 礼忠和宋徉霖基于颗粒流离散元法，探究了裂 模型，开展预制单裂隙花岗岩循环加卸载试验，以 隙倾角、岩体抗压强度、裂隙局部应力场的变化 便揭示循环扰动应力下裂隙花岗岩中裂隙发展的 规律，认为缓倾斜裂隙更利于岩体的塑性变形、陡 阶段性特征，为地下工程岩体稳定性研究提供理 倾斜裂隙则表现出明显的弹脆性性质 论基础 在实际工程中，岩体开挖是一个动态扰动的 1颗粒流模型建立 过程.岩石在循环荷载作用与静荷载条件下的力 学性能差异显著，岩石本身特性和微裂隙发展是 1.1花岗岩组分识别 岩石疲劳破坏的主要因素)近些年，裂隙岩体的 岩石模型试样在宏观压缩和拉伸条件下的力 疲劳损伤研究逐渐增多.Chen等I6比较了循环加 学性能与颗粒的细观力学参数有关，同时也受矿 载和单调加载下的裂纹扩展特征，发现循环加载下 物组分的影响.花岗岩由石英、长石和云母等不uniaxial compression test results. The stage of crack development during rock failure is analyzed by compiling particle flow code to track the  type  and  propagation  process  of  cracks.  Results  indicate  that  the  orientations  of  new  cracks  in  fractured  rocks  with  different  dip angles are similar to those of the preexisting cracks. Further, the relation between the crack initiation angle and the inclination angle of the  preexisting  cracks  is  obtained  according  to  the  tendency  of  new  cracks.  The  crack  initiation  angle  of  shear  and  tension  cracks decreases  and  increases  monotonically,  respectively,  when  the  inclination  angle β ≤ 45°  and β ≥ 60°.  The  cyclic  disturbance  load increases the axial deformation of the fractured rock mass, and the axial cumulative residual strain curve exhibits an inverse S-shape when  entering  the  acceleration  stage  faster  with  the  increasing  upper  stress  limit.  The  peak  strength  of  the  model  specimen  shows  a decreasing trend followed by an increasing trend with the increasing fracture inclination. The peak strengths of the laboratory-intact rock are 63% to 89%, indicating an obvious deterioration phenomenon in the rock materials. The growth of shear and tension cracks show different characteristics under cyclic load; the growth rate of tension cracks is considerably higher than that of shear cracks during the unstable crack development stage. The results presented in this study may be used as reference to investigate the deformation and failure mechanisms of rock materials. KEY WORDS    microstructure；cyclic load；crack orientation；crack propagation；particle flow 天然岩体中存在的微裂隙和宏观裂纹对地下 工程结构的稳定性有着显著的影响. 裂隙岩体的 力学性质决定了岩体的强度和岩体受压破坏的机 制[1−3] ，围岩的失稳和破坏往往是由这些内部裂隙 的扩展和贯通诱发引起[4−5] . 为此，许多学者采用 天然岩石、类岩石材料模型和数值分析模型开展 了相关工作[6−9] ，从不同角度研究了单裂隙和多裂 隙岩石在特定试验条件下裂隙萌生和扩展问题， 对裂隙岩体翼裂纹和次生裂纹的扩展形态、破坏 模式和应力场的变化规律有了较深入的认识. 岩石起裂应力研究以裂纹应变模型为基础[10] ， 通常以完整岩体起裂应力定义裂隙岩体的起裂应 力，Cai 等[11] 根据试验结果计算出多节理岩体起裂 应力为其峰值应力的 0.4～0.6 倍，王桂林等[12] 计算裂 隙砂岩的起裂应力水平在 0.6～0.7 之间. Afolagboye 等[13] 研究了裂隙倾角和岩桥长度对裂纹起裂位 置、扩展路径的影响. Bobet 和 Einstein[14] 探究了 岩体在受压过程中，翼裂纹和次生裂纹的扩展形 态和破坏模式. 赵海军等[5] 分析了非连续结构面 对岩体力学特性的影响，认为裂隙产状与最大主 压应力取向夹角及围压大小决定其破裂特征. 唐 礼忠和宋徉霖[9] 基于颗粒流离散元法，探究了裂 隙倾角、岩体抗压强度、裂隙局部应力场的变化 规律，认为缓倾斜裂隙更利于岩体的塑性变形、陡 倾斜裂隙则表现出明显的弹脆性性质. 在实际工程中，岩体开挖是一个动态扰动的 过程. 岩石在循环荷载作用与静荷载条件下的力 学性能差异显著，岩石本身特性和微裂隙发展是 岩石疲劳破坏的主要因素[15] . 近些年，裂隙岩体的 疲劳损伤研究逐渐增多. Chen 等[16] 比较了循环加 载和单调加载下的裂纹扩展特征，发现循环加载下 的裂纹比单调加载下的裂纹更加明显. Ghamgosar 等[17] 进行了循环荷载作用下岩石破裂过程的实验 研究，认为岩石中裂纹扩展由微裂纹的萌生与合 并导致. 祝艳波等[18] 使用 MTS815 力学试验系统 研究了石膏质岩在不同循环应力加载条件下的微 观结构特征和疲劳寿命. 何明明等[19] 研究了不同 应力振幅条件下的砂岩变形特性，以屈服应力作 为循环加载过程中硬化和软化特性变化的分界 点. 任松等[20] 采用声发射与核磁共振分析技术研 究，发现饱水砂岩细碎裂隙-较大裂隙体积之比与 循环过程相关. 上述研究成果有助于正确认识裂隙岩体的破 坏机理，但现有循环扰动荷载作用下岩体新生裂 隙的扩展特征研究还不够充分. 目前，扰动荷载作 用下裂隙岩石的研究仍以室内试验为主，裂隙岩 体取样、预制裂隙精度控制和矿物颗粒黏结等问 题均对研究结果产生影响. 采用数值分析模型进 行研究，能够考虑岩石中细观组分的类型和分布， 便于探究微细观破裂的具体演化过程. 因此，本文 以三山岛金矿花岗岩试块为研究对象，采用图像 处理技术建立基于花岗岩试件细观组分的颗粒流 模型，开展预制单裂隙花岗岩循环加卸载试验，以 便揭示循环扰动应力下裂隙花岗岩中裂隙发展的 阶段性特征，为地下工程岩体稳定性研究提供理 论基础. 1    颗粒流模型建立 1.1    花岗岩组分识别 岩石模型试样在宏观压缩和拉伸条件下的力 学性能与颗粒的细观力学参数有关，同时也受矿 物组分的影响. 花岗岩由石英、长石和云母等不 张    杰等： 循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟 · 637 ·