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 639. 质参数为：弹性模量E=43.12GPa,泊松比=0.163， 形颗粒刚度比值以匹配泊松比；再设侧限压力为 峰值应力o=126.83MPa. 0,逐次降低平行黏接强度，得到岩石试件的峰值 以邓树新等、Si等P的成果作为细观力学 应力；最后改变球形颗粒接触模量和平行黏结的 性质参数取值的基础，平行黏结强度比值取为 弹性模量比值，微调平行黏结的弹性模量，得到与 1.0,将试样强度作为峰值应力.先将球形颗粒和 室内试验更为匹配的应力-应变关系.得到的细观 平行黏结的接触模量比值设为1.0，通过调节颗粒 力学性质参数见表1，室内试验与模拟试验应力- 接触模量得到岩石试样的弹性模量，然后改变球 应变全过程曲线如图2所示 表1花岗岩细观力学性质参数 Table 1 Microscale mechanical parameters of granite Particles forming grains Linear parallel bond model Mineral Ratio of normal Ratio of normal Minimum particle Maximum to Young's Young's to shear Shear bond Tensile-shear component minimum modulus, to shear Friction radius forming grain,Rmin/mm radius ratio, stiffness of the modulus, stiffness of the strength, bond strength ratio, RmayRmin EGPa particle,k/k E/GPa parallel bond, Te/MPa ratio,dc/斤e kn/ks Feldspar 1.2 1.66 45.5 1.15 28.0 1.6 51.0 0.5 1.0 Quartz 1.2 1.66 33.0 1.15 22.6 1.6 81.6 0.8 1.0 Mica 1.2 1.66 11.2 1.15 5.9 1.6 15.3 0.15 1.0 140 120 -Laboratory test curve ☐Feldspar Simulation test curve Mica 100 Quart edW/ssan 80 Newly-generated cracks 员 60 40 20 0 Pre-existing cracks 0.1 0.2 0.3 0.4 Strain/% 图3裂隙花岗岩试件模型 图2试件应力-应变曲线 Fig.2 Stress-strain curves of a specimen Fig.3 Numerical model of a granite specimen with a single crack 1.3试验方案 石强度降低、模量减小，但变化规律基本一致.因 在数值模型中预制单裂隙位置删除相应的球 此，模拟试验中计算模型采用边界墙体进行位移 体颗粒.裂隙位于试样中心，长度20mm,宽度0.3mm, 加载控制，通过调整上下墙的位移给模型施加轴 与水平方向夹角B,试样模型如图3所示.预制单 向荷载，将循环加卸载速率与静力加载阶段速率 裂隙夹角B取值0°、30°、45°、60°、90°，新生裂隙 取为一致 的起裂角为0，新生裂隙倾角为α.以模型试件顶 岩体开挖产生的应力重分布和应力集中，导 部为正北方向，左右两侧方向分别为270°和90°， 致很大范围内的岩体处于静力屈服阶段.为分析 则预制裂隙的倾角为B、倾向均为90° 扰动荷载上限对花岗岩力学性质产生的影响，荷 矿山开采爆破和岩体破坏产生的低频波频率 载上限至少应大于屈服应力.本文完整花岗岩模 为几赫兹至几十赫兹2可，这种低频扰动荷载是工 型试件单轴峰值荷载为125.30MPa,屈服应力为 程岩体的一种重要受力形式.室内试验研究能够 峰值荷载的86%.如图2所示：考虑本次试验主要 以试验机进行的循环加卸载试验来模拟低频波对 研究扰动应力对岩石裂隙萌生及扩展的影响，扰 岩石的扰动作用.不同循环频率的动力加载试验 动荷载下限设置为起裂应力范围.因此，模型中加 表明，随着施加动力载荷时循环频率的增高，岩 载轴向应力采用分级增加荷载形式进行循环加卸质参数为：弹性模量 E =43.12 GPa，泊松比 μ= 0.163， 峰值应力 σ = 126.83 MPa. 以邓树新等[25]、Shi 等[26] 的成果作为细观力学 性质参数取值的基础 ，平行黏结强度比值取为 1.0，将试样强度作为峰值应力. 先将球形颗粒和 平行黏结的接触模量比值设为 1.0，通过调节颗粒 接触模量得到岩石试样的弹性模量，然后改变球 形颗粒刚度比值以匹配泊松比；再设侧限压力为 0，逐次降低平行黏接强度，得到岩石试件的峰值 应力；最后改变球形颗粒接触模量和平行黏结的 弹性模量比值，微调平行黏结的弹性模量，得到与 室内试验更为匹配的应力−应变关系. 得到的细观 力学性质参数见表 1，室内试验与模拟试验应力− 应变全过程曲线如图 2 所示. 表 1 花岗岩细观力学性质参数 Table 1   Microscale mechanical parameters of granite Mineral component Particles forming grains Linear parallel bond model Minimum particle radius forming grain, Rmin/mm Maximum to minimum radius ratio, Rmax/Rmin Young’s modulus, Ec /GPa Ratio of normal to shear stiffness of the particle, kn /ks E¯ c Young’s modulus, /GPa ¯kn ¯ks Ratio of normal to shear stiffness of the parallel bond, / τc Shear bond strength, /MPa φ¯ Friction ratio, σ¯ c τ¯c Tensile–shear bond strength ratio, / Feldspar 1.2 1.66 45.5 1.15 28.0 1.6 51.0 0.5 1.0 Quartz 1.2 1.66 33.0 1.15 22.6 1.6 81.6 0.8 1.0 Mica 1.2 1.66 11.2 1.15 5.9 1.6 15.3 0.15 1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 20 40 60 80 100 120 140 Laboratory test curve Simulation test curve Stress/MPa Strain/% 图 2    试件应力–应变曲线 Fig.2    Stress–strain curves of a specimen 1.3    试验方案 在数值模型中预制单裂隙位置删除相应的球 体颗粒. 裂隙位于试样中心，长度20 mm，宽度0.3 mm， 与水平方向夹角 β，试样模型如图 3 所示. 预制单 裂隙夹角 β 取值 0°、30°、45°、60°、90°，新生裂隙 的起裂角为 θ，新生裂隙倾角为 α. 以模型试件顶 部为正北方向，左右两侧方向分别为 270°和 90°， 则预制裂隙的倾角为 β、倾向均为 90°. 矿山开采爆破和岩体破坏产生的低频波频率 为几赫兹至几十赫兹[27] ，这种低频扰动荷载是工 程岩体的一种重要受力形式. 室内试验研究能够 以试验机进行的循环加卸载试验来模拟低频波对 岩石的扰动作用. 不同循环频率的动力加载试验 表明[28] ，随着施加动力载荷时循环频率的增高，岩 石强度降低、模量减小，但变化规律基本一致. 因 此，模拟试验中计算模型采用边界墙体进行位移 加载控制，通过调整上下墙的位移给模型施加轴 向荷载，将循环加卸载速率与静力加载阶段速率 取为一致. 岩体开挖产生的应力重分布和应力集中，导 致很大范围内的岩体处于静力屈服阶段. 为分析 扰动荷载上限对花岗岩力学性质产生的影响，荷 载上限至少应大于屈服应力. 本文完整花岗岩模 型试件单轴峰值荷载为 125.30 MPa，屈服应力为 峰值荷载的 86%，如图 2 所示；考虑本次试验主要 研究扰动应力对岩石裂隙萌生及扩展的影响，扰 动荷载下限设置为起裂应力范围. 因此，模型中加 载轴向应力采用分级增加荷载形式进行循环加卸 Mica β θ Feldspar Quart α Newly-generated cracks 20 mm Pre-existing cracks 图 3    裂隙花岗岩试件模型 Fig.3    Numerical model of a granite specimen with a single crack 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 · 639 ·