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 641 表2新生裂隙倾向和倾角分布统计 Table 2 Statistics of the distribution of tendencies and inclinations for newly generated cracks Tendencies and Shear cracks Tension crack inclinations for preexisting cracks Tendency grouping Average inclination/()Percentage/% Tendency grouping Average inclination/()Percentage/% 151°-160° 6 63 61°-70° 77 8.0 90°∠0° 211°-220 60 6.3 251°-260° 62 8.0 261°-270° 62 11.9 71°-80° 61 10.5 90°∠30° 241°-250° 好 9.5 141°-150 72 10.5 261°-270° 4 17.4 71°-80° 52 18.5 90°∠45° 251°-260° 45 15.2 91°-100° 64 11.1 261°-270° 51 9.5 81°-90° 64 14.3 90°∠60° 251°-260° 7.9 61°-70° 69 10.7 261°-270° 45 8.5 131°-140° 88 11.1 90°∠90° 181°-190° 6.4 21°-30° 48 5.6 致，仅裂隙倾角=90时张拉裂隙优势走向在 70k 41°~50°，而裂隙倾角=0时的剪切裂隙走向分布 -Shear crack 60 -。Tension crack 较为分散.模型试件在裂隙萌生阶段首先出现剪 50 切裂隙；张拉裂隙出现较晚，出现于峰前峰值强度 40 的0.6倍处，仅占裂隙总数的6%~10%. 2.1.2裂隙起裂角 20 在裂隙萌生阶段，可根据新生裂隙的倾角分 10 布进行裂隙花岗岩的起裂角研究.朱维申等0提 0 出，起裂角度与裂隙的空间位置和加载方向有关， 0 102030405060708090 双轴压缩荷载下雁形裂纹的起裂角为70°~80°： Crack dip,/( 李银平等发现，单轴压缩荷载作用下大理岩的 图5预制裂隙倾角B与起裂角0的关系 起裂角为52°~68°.裂隙的起裂、扩展和贯通是压 Fig.5 Relation between the crack initial angle 0 and crack dip B 剪应力场中岩石的主要破坏形式，翼裂纹通常产 在单轴加载条件下更倾向于最大主应力方向，因 生于原生裂隙端部、以弧形向前扩展、偏向主应 此张拉裂隙发展最快.同理，裂隙倾角B≥60的 力方向发展. 岩石，剪切裂隙更倾向于最大主应力方向，发展最快 根据表2中岩石试样新生裂隙的优势倾向分 2.2裂隙扩展及破裂的阶段性特征 组，取两组倾角平均值，得到岩石试样的新生裂隙 岩石变形破坏过程中，裂隙经历了压密、起 倾角α，则起裂角0为新生裂隙倾角a与预制裂隙 裂、扩展、贯通四个阶段.通过监测新生裂隙出 倾角B的差值.由此得到剪切裂隙和张拉裂隙的 现时间及其数目增长曲线拐点，可以进行岩石变 起裂角度与裂隙倾角的变化情况，如图5所示. 形破坏阶段特征分析.试件模型新生裂隙数目与 从图5可以看出，起裂角随预制裂隙倾角的增 轴向应变的变化情况如图6所示. 大呈现非线性变化：倾角B≤45时，剪切和张拉裂 岩石裂隙在压密阶段，应变随应力的增加呈 隙的起裂角单调递减，且张拉裂隙比剪切裂隙的 线性增长，未出现新生裂隙.随着裂隙进一步发 起裂角大；倾角B≥60时，剪切和张拉裂隙的起裂 展，岩石压缩进入AB阶段、岩石内部开始出现剪 角单调递增，剪切裂隙的起裂角较大.新生裂隙在 切裂隙，裂隙数目极少并保持稳定；在BC阶段，随 倾角B=45°和B=60°的岩石试样中起裂角最小， 荷载增加，剪切裂隙少量增长，开始出现张拉裂 在倾角B=0°的岩石试样中起裂角最大. 隙.微裂隙在外荷载作用下压密闭合，剪切裂隙和 由于裂隙的扩展方向总是与最大拉应力方向 张拉裂隙萌生，新生裂隙出现的时间与预制裂隙 保持垂直，当裂隙扩展角保持不变时，裂隙倾角 倾角无关.由于应力水平不足以使得原有裂纹扩 B≤45的岩石，张拉裂隙比剪切裂隙的起裂角大， 展，新萌生的张拉裂隙和剪切裂隙数目较为稳定致 ，仅裂隙倾 角 β=90°时张拉裂隙优势走向 在 41°～50°，而裂隙倾角 β=0°时的剪切裂隙走向分布 较为分散. 模型试件在裂隙萌生阶段首先出现剪 切裂隙；张拉裂隙出现较晚，出现于峰前峰值强度 的 0.6 倍处，仅占裂隙总数的 6% ～10%. 2.1.2    裂隙起裂角 在裂隙萌生阶段，可根据新生裂隙的倾角分 布进行裂隙花岗岩的起裂角研究. 朱维申等[30] 提 出，起裂角度与裂隙的空间位置和加载方向有关， 双轴压缩荷载下雁形裂纹的起裂角为 70°～80°； 李银平等[31] 发现，单轴压缩荷载作用下大理岩的 起裂角为 52°～68°. 裂隙的起裂、扩展和贯通是压 剪应力场中岩石的主要破坏形式，翼裂纹通常产 生于原生裂隙端部、以弧形向前扩展、偏向主应 力方向发展. 根据表 2 中岩石试样新生裂隙的优势倾向分 组，取两组倾角平均值，得到岩石试样的新生裂隙 倾角ɑ，则起裂角 θ 为新生裂隙倾角ɑ与预制裂隙 倾角 β 的差值. 由此得到剪切裂隙和张拉裂隙的 起裂角度与裂隙倾角的变化情况，如图 5 所示. 从图 5 可以看出，起裂角随预制裂隙倾角的增 大呈现非线性变化：倾角 β ≤ 45°时，剪切和张拉裂 隙的起裂角单调递减，且张拉裂隙比剪切裂隙的 起裂角大；倾角 β ≥ 60°时，剪切和张拉裂隙的起裂 角单调递增，剪切裂隙的起裂角较大. 新生裂隙在 倾角 β = 45°和 β = 60°的岩石试样中起裂角最小， 在倾角 β = 0°的岩石试样中起裂角最大. 由于裂隙的扩展方向总是与最大拉应力方向 保持垂直，当裂隙扩展角保持不变时，裂隙倾角 β ≤ 45°的岩石，张拉裂隙比剪切裂隙的起裂角大， 在单轴加载条件下更倾向于最大主应力方向，因 此张拉裂隙发展最快. 同理，裂隙倾角 β ≥ 60°的 岩石，剪切裂隙更倾向于最大主应力方向，发展最快. 2.2    裂隙扩展及破裂的阶段性特征 岩石变形破坏过程中，裂隙经历了压密、起 裂、扩展、贯通四个阶段[32] . 通过监测新生裂隙出 现时间及其数目增长曲线拐点，可以进行岩石变 形破坏阶段特征分析. 试件模型新生裂隙数目与 轴向应变的变化情况如图 6 所示. 岩石裂隙在压密阶段，应变随应力的增加呈 线性增长，未出现新生裂隙. 随着裂隙进一步发 展，岩石压缩进入 AB 阶段、岩石内部开始出现剪 切裂隙，裂隙数目极少并保持稳定；在 BC 阶段，随 荷载增加，剪切裂隙少量增长，开始出现张拉裂 隙. 微裂隙在外荷载作用下压密闭合，剪切裂隙和 张拉裂隙萌生，新生裂隙出现的时间与预制裂隙 倾角无关. 由于应力水平不足以使得原有裂纹扩 展，新萌生的张拉裂隙和剪切裂隙数目较为稳定. 表 2 新生裂隙倾向和倾角分布统计 Table 2 Statistics of the distribution of tendencies and inclinations for newly generated cracks Tendencies and inclinations for preexisting cracks Shear cracks Tension crack Tendency grouping Average inclination/(°) Percentage/% Tendency grouping Average inclination/(°) Percentage/% 90°∠0° 151°–160° 65 6.3 61°–70° 77 8.0 211°–220° 60 6.3 251°–260° 62 8.0 90°∠30° 261°–270° 62 11.9 71°–80° 61 10.5 241°–250° 48 9.5 141°–150° 72 10.5 90°∠45° 261°–270° 54 17.4 71°–80° 52 18.5 251°–260° 45 15.2 91°–100° 64 11.1 90°∠60° 261°–270° 51 9.5 81°–90° 64 14.3 251°–260° 51 7.9 61°–70° 69 10.7 90°∠90° 261°–270° 45 8.5 131°–140° 88 11.1 181°–190° 43 6.4 21°–30° 48 5.6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 Shear crack Tension crack Crack initial angle, θ/(°) Crack dip, β/(°) 图 5    预制裂隙倾角 β 与起裂角 θ 的关系 Fig.5    Relation between the crack initial angle θ and crack dip β 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 · 641 ·