2 工程科学学报，第44卷，第X期 the number of transgranular cracks increases,while the number of intergranular cracks decreases.However,tensile and intergranular cracking dominate the cracking process.(2)The cleavage effect is affected by the confining pressure.The confining pressure will cause the number and proportion of intergranular cracks and transgranular cracks to change.However,the confining pressure at different angles has different effects on the number and proportion of intergranular cracks and transgranular cracks.(3)As the cleavage spacing increases from 2 to 4 mm,the number of transgranular cracks increases and the number of intergranular cracks decreases.However,the ratio of the total shear and tensile cracks remains constant,indicating that microscopic tensile and shear cracking mechanisms are almost unaffected.In addition,when the proportion of minerals with cleavage characteristics is high and the type of mineral has a considerable influence on the rock properties,the influence of cleavage characteristics on rock failures,such as spalling and rockburst,should be given attention. KEY WORDS rock mechanics;mineral grain;cleavage characteristic;numerical simulation;discrete element method 硬质岩石失稳过程及其机理研究是岩石力学 石真实响应；Peng等调查了晶粒尺寸非均匀性 与工程科学的重要研究内容川.近几十年来，岩石 对岩石开裂过程、力学性质及微观机理的影响： 力学科学得到了迅猛的发展，理论、试验及数值仿 Gao等uo1调查了晶粒级别的三角形块体在室内岩 真成为研究、认识岩石破坏过程的有力工具.目 石力学方面的应用.然而，晶粒方面涉及太多复杂 前为止，基于室内物理试验，硬质岩石微观破裂过 因素，晶粒几何结构、晶粒尺寸分布等方面的研究 程方面的研究取得了丰富的成果，并认为其过程 仍然不足，基于晶粒级别开展岩石开裂过程及机 一般存在以下几个关键特征-(1)裂纹闭合，该 理方面的研究仍然非常重要 阶段主要来源于原生孔隙、孔洞及微裂纹的闭合； 实际上，很多显晶硬质岩石的微观开裂过程 (2)新裂纹的产生，该阶段一般发生在0.3~0.5倍 都涉及沿晶破坏、晶内破坏及穿晶破坏那 单轴抗压强度(UCS),其对应的起裂应力o一般 么，矿物晶粒的本质属性势必影响岩石微观开裂 作为现场岩体强度的下限向，具体和岩石类型及其 过程，进而影响岩石的宏观响应，考虑品粒本质属 微观矿物构造有关，并伴有声发射(AE)信号出现； 性成为调查硬质岩石微观破坏需要考虑的重要因 (3)裂纹的孕育，此时微裂纹之间还没有相互作 子.事实上，晶粒具有极完全解理、完全解理、中 用，其裂纹级别一般限制在晶粒级别，分布一般较 等解理、不完全解理和极不完全解理（无解理）等 为分散M:(4)裂纹的联合贯通，此时微裂纹密度已 方面的特质.解理是指矿物晶体在外力作用下严 增加数倍.晶粒级别的裂纹开始相互作用、联合及 格沿着一定结晶方向破裂而能产生的光滑平面 贯穿，形成尺度较大的宏观破裂，也常伴随剪切破 例如，微观观察发现，长石具有不同方向、不同间 裂事件的发生及AE信号快速增加，该阶段一般发 距及不同类型的解理山因此，在相同荷载大小、 生在0.7~0.8倍UCS,其对应的损伤应力oa常作 方向条件下，岩石可能会因为其内部矿物颗粒解 为现场岩体的长期强度或岩体强度的上限值阿 理而表现出不同的力学响应.因此，基于颗粒级别 然而，岩石材料本身具有非均值性，受载过程 的穿晶破坏方面的研究，学者们也取得了众多的 中的响应非常复杂，这些关键特征也不断发生变 进展.例如，Potyondy!7基于PFC2D提出通过平滑 化，具体受岩石内部矿物颗粒微观结构、尺寸及分 节理接触和平行接触模拟可破坏的矿物晶粒，这 布影响，即使是取自同一块完整岩石的试件所具 样首次实现了晶粒的穿晶破坏模拟：Abdelaziz等I 有的力学性质及相同加载条件下的响应也不尽相 采用基于颗粒的有限元和离散元结合方法(FDEM) 同.事实上，即使相同比例的岩石，其矿物的排 模拟了岩石颗粒级别的穿晶、沿晶破坏，成功捕捉 列、组合不同也会导致岩石的性质存在一定的差 了岩石的微观及宏观响应；Wang和Cai1采用 异，而数值仿真作为有效探究微观开裂机制的手 Neper建模技术在3DEC中实现了穿晶破坏的模 段之一，在探究颗粒尺寸、结构对岩石响应时具有 拟，详细地介绍了穿晶接触非均值性对岩石压缩、 明显的优势，因而得到了广泛应用.目前为止，考 拉伸性质及开裂过程的影响.通过以上调查发现， 虑颗粒级别的岩石力学性质、开裂过程相关方面 穿晶模拟更为有效地模拟了岩石矿物晶粒可破裂 已有大量研究.例如，蒋明镜等对铝棒胶结模型 的特质，然而大部分研究均还停留在通过设置不 和BPM(Bonded-particle model)模型进行了对比， 同的品体内及品体间接触（离散元中颗粒或块体 认为基于颗粒的铝棒胶结模型同样能有效模拟岩 之间接触部分称为“接触”)参数进而在数值加载the number of transgranular cracks increases, while the number of intergranular cracks decreases. However, tensile and intergranular cracking dominate the cracking process. (2) The cleavage effect is affected by the confining pressure. The confining pressure will cause the  number  and  proportion  of  intergranular  cracks  and  transgranular  cracks  to  change.  However,  the  confining  pressure  at  different angles has different effects on the number and proportion of intergranular cracks and transgranular cracks. (3) As the cleavage spacing increases from 2 to 4 mm, the number of transgranular cracks increases and the number of intergranular cracks decreases. However, the ratio of the total shear and tensile cracks remains constant, indicating that microscopic tensile and shear cracking mechanisms are almost unaffected. In addition, when the proportion of minerals with cleavage characteristics is high and the type of mineral has a considerable influence  on  the  rock  properties,  the  influence  of  cleavage  characteristics  on  rock  failures,  such  as  spalling  and  rockburst,  should  be given attention. KEY WORDS    rock mechanics；mineral grain；cleavage characteristic；numerical simulation；discrete element method 硬质岩石失稳过程及其机理研究是岩石力学 与工程科学的重要研究内容[1] . 近几十年来，岩石 力学科学得到了迅猛的发展，理论、试验及数值仿 真成为研究、认识岩石破坏过程的有力工具. 目 前为止，基于室内物理试验，硬质岩石微观破裂过 程方面的研究取得了丰富的成果，并认为其过程 一般存在以下几个关键特征[2–5] ：(1) 裂纹闭合，该 阶段主要来源于原生孔隙、孔洞及微裂纹的闭合； (2) 新裂纹的产生，该阶段一般发生在 0.3～0.5 倍 单轴抗压强度（UCS），其对应的起裂应力 σci 一般 作为现场岩体强度的下限[6] ，具体和岩石类型及其 微观矿物构造有关，并伴有声发射（AE）信号出现； (3) 裂纹的孕育，此时微裂纹之间还没有相互作 用，其裂纹级别一般限制在晶粒级别，分布一般较 为分散[7] ；(4) 裂纹的联合贯通，此时微裂纹密度已 增加数倍，晶粒级别的裂纹开始相互作用、联合及 贯穿，形成尺度较大的宏观破裂，也常伴随剪切破 裂事件的发生及 AE 信号快速增加，该阶段一般发 生在 0.7～0.8 倍 UCS，其对应的损伤应力 σcd 常作 为现场岩体的长期强度或岩体强度的上限值[6] . 然而，岩石材料本身具有非均值性，受载过程 中的响应非常复杂，这些关键特征也不断发生变 化，具体受岩石内部矿物颗粒微观结构、尺寸及分 布影响，即使是取自同一块完整岩石的试件所具 有的力学性质及相同加载条件下的响应也不尽相 同. 事实上，即使相同比例的岩石，其矿物的排 列、组合不同也会导致岩石的性质存在一定的差 异，而数值仿真作为有效探究微观开裂机制的手 段之一，在探究颗粒尺寸、结构对岩石响应时具有 明显的优势，因而得到了广泛应用. 目前为止，考 虑颗粒级别的岩石力学性质、开裂过程相关方面 已有大量研究. 例如，蒋明镜等[8] 对铝棒胶结模型 和 BPM（Bonded-particle model）模型进行了对比， 认为基于颗粒的铝棒胶结模型同样能有效模拟岩 石真实响应；Peng 等[9] 调查了晶粒尺寸非均匀性 对岩石开裂过程、力学性质及微观机理的影响； Gao 等[10] 调查了晶粒级别的三角形块体在室内岩 石力学方面的应用. 然而，晶粒方面涉及太多复杂 因素，晶粒几何结构、晶粒尺寸分布等方面的研究 仍然不足，基于晶粒级别开展岩石开裂过程及机 理方面的研究仍然非常重要. 实际上，很多显晶硬质岩石的微观开裂过程 都涉及沿晶破坏、晶内破坏及穿晶破坏[11– 15] . 那 么，矿物晶粒的本质属性势必影响岩石微观开裂 过程，进而影响岩石的宏观响应，考虑晶粒本质属 性成为调查硬质岩石微观破坏需要考虑的重要因 子. 事实上，晶粒具有极完全解理、完全解理、中 等解理、不完全解理和极不完全解理（无解理）等 方面的特质. 解理是指矿物晶体在外力作用下严 格沿着一定结晶方向破裂而能产生的光滑平面. 例如，微观观察发现，长石具有不同方向、不同间 距及不同类型的解理[11] . 因此，在相同荷载大小、 方向条件下，岩石可能会因为其内部矿物颗粒解 理而表现出不同的力学响应. 因此，基于颗粒级别 的穿晶破坏方面的研究，学者们也取得了众多的 进展. 例如，Potyondy[7] 基于 PFC2D 提出通过平滑 节理接触和平行接触模拟可破坏的矿物晶粒，这 样首次实现了晶粒的穿晶破坏模拟；Abdelaziz 等[16] 采用基于颗粒的有限元和离散元结合方法（FDEM） 模拟了岩石颗粒级别的穿晶、沿晶破坏，成功捕捉 了岩石的微观及宏观响应 ； Wang 和 Cai[13] 采 用 Neper 建模技术在 3DEC 中实现了穿晶破坏的模 拟，详细地介绍了穿晶接触非均值性对岩石压缩、 拉伸性质及开裂过程的影响. 通过以上调查发现， 穿晶模拟更为有效地模拟了岩石矿物晶粒可破裂 的特质，然而大部分研究均还停留在通过设置不 同的晶体内及晶体间接触（离散元中颗粒或块体 之间接触部分称为“接触”）参数进而在数值加载 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期