工程科学学报.第43卷.第5期：636-646.2021年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.5:636-646,May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.003;http://cje.ustb.edu.cn 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 张杰2，郭奇峰1,2)区，蔡美峰，2，张英12)，汪炳锋1,2，吴星辉2 1)北京科技大学土木与资源工程学院.北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:guoqifeng@ustb.edu.cn 摘要从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验.首先，使用图像处理技术识别 花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定.然后，通过编制颗粒流代码追踪裂隙的 类型和扩展过程，分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征.结果表明：不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯 通方向基本一致；根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系：倾角B≤45时剪切和张拉裂隙的起 裂角单调递减，倾角B≥60时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增：循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形，轴向累积残余 应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段：试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的 趋势，峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63%~89%，反映了较为明显的劣化现象：在循环荷载作用下，剪切裂隙和 张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点，在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙，对分析岩石 变形破坏过程具有一定的参考意义 关键词细观结构：循环扰动：裂隙产状；裂隙扩展：颗粒流 分类号TD315.3 Particle flow simulation of the crack propagation characteristics of granite under cyclic load ZHANG Jie2)GUO Qi-feng CAl Mei-feng2,ZHANG Ying2 WANG Bing-feng2,WU Xing-hui2 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:guogifeng @ustb.edu.cn ABSTRACT The microcracks in natural rock masses considerably impact the stability of the underground engineering structures.The mechanical properties of the cracked rock masses contribute considerably to the strength of the rock masses and their compression failure mechanism.The instability and failure of the surrounding rocks are often induced by the propagation and penetration of these internal cracks.In practical engineering,rock mass excavation is a process involving dynamic disturbance.The mechanical properties of the rocks under cyclic load are considerably different from those of the rocks under static load.The characteristics and development of microcracks are the main factors influencing rock fatigue failure.From the microscopic viewpoint,the particle-based discrete element method is used to conduct the cyclic loading and unloading tests of the preexisting cracked granite.First,the microcompositions of granite are determined using image processing techniques,and the micromechanical parameters are calibrated based on the indoor 收稿日期：2020-03-15 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP.18-015A3):国家自然科学基金资助项目(51974014，U2034206)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 张    杰1,2)，郭奇峰1,2) 苣，蔡美峰1,2)，张    英1,2)，汪炳锋1,2)，吴星辉1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：guoqifeng@ustb.edu.cn 摘    要    从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验. 首先，使用图像处理技术识别 花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定. 然后，通过编制颗粒流代码追踪裂隙的 类型和扩展过程，分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征. 结果表明：不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯 通方向基本一致；根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系：倾角 β≤45°时剪切和张拉裂隙的起 裂角单调递减，倾角 β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增；循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形，轴向累积残余 应变曲线呈反 S 形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段；试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的 趋势，峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的 63% ~ 89%，反映了较为明显的劣化现象；在循环荷载作用下，剪切裂隙和 张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点，在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙，对分析岩石 变形破坏过程具有一定的参考意义. 关键词    细观结构；循环扰动；裂隙产状；裂隙扩展；颗粒流 分类号    TD315.3 Particle flow simulation of the crack propagation characteristics of granite under cyclic load ZHANG Jie1,2) ，GUO Qi-feng1,2) 苣 ，CAI Mei-feng1,2) ，ZHANG Ying1,2) ，WANG Bing-feng1,2) ，WU Xing-hui1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: guoqifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT    The microcracks in natural rock masses considerably impact the stability of the underground engineering structures. The mechanical properties of the cracked rock masses contribute considerably to the strength of the rock masses and their compression failure mechanism. The instability and failure of the surrounding rocks are often induced by the propagation and penetration of these internal cracks.  In  practical  engineering,  rock  mass  excavation  is  a  process  involving  dynamic  disturbance.  The  mechanical  properties  of  the rocks  under  cyclic  load  are  considerably  different  from  those  of  the  rocks  under  static  load.  The  characteristics  and  development  of microcracks are the main factors influencing rock fatigue failure. From the microscopic viewpoint, the particle-based discrete element method  is  used  to  conduct  the  cyclic  loading  and  unloading  tests  of  the  preexisting  cracked  granite.  First,  the  microcompositions  of granite  are  determined  using  image  processing  techniques,  and  the  micromechanical  parameters  are  calibrated  based  on  the  indoor 收稿日期: 2020−03−15 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-18-015A3）；国家自然科学基金资助项目（51974014，U2034206） 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期：636−646，2021 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 5: 636−646, May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.003; http://cje.ustb.edu.cn