张英等：循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 ·865· strain energy of crack initiation.Moreover,with increasing pressure,the proportion of the crack damage and the peak strain energy de- crease slowly;however,the proportion of peak strain energy decreases to a greater extent.According to the new index W,for the evalu- ation of the rock burst proneness,when the confining pressure was less than 20 MPa,the rock burst proneness of Sanshandao granite was relatively small,and when the confining pressure reached 30 MPa,the rock burst proneness began to increase rapidly.This study provides a new reference index for the evaluation of rock burst proneness and further provides a new idea for the stability study of under- ground rock mass engineering. KEY WORDS triaxial cyclic loading and unloading;stress thresholds;meso-energy;rock burst proneness;particle flow simulation 随着经济的高速发展，国家对能源与资源的需 角度对不同应力门槛值对应的边界能、线性接触应 求持续增长，地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发 变能、平行黏结应变能、摩擦能、阻尼能、动能等进行 不断走向深部，在深部硬岩中进行工程活动，有时会 了研究，进而揭示了应力门槛值的能量演化规律，并 受到循环荷载作用并诱发高强度岩爆等动力灾害， 从细观能量角度建立了循环加卸载条件下不同围压 严重影响地下岩石工程在建设或运行期间的安全 的岩爆倾向性评价指标，以期为地下岩体工程稳定 和稳定性).如何科学地认识深部硬岩在循环荷 性研究提供新的参考. 载作用下的能量演化规律并进行岩爆倾向性预 1三山岛花岗岩室内力学特性 测，对于深部地下工程施工期间的安全具有重要 的实际意义 试验中花岗岩试件取自三山岛金矿深部，该花 现阶段，一些学者基于岩石室内试验（单轴、三 岗岩主要矿物成分为斜长石、钾长石、石英和黑云 轴压缩或循环荷载)研究能量的演化规律，并获得 母，其体积分数分别为44%、20%、32%和4%.主 许多成果.衡帅等)基于单轴和三轴压缩试验，通 要矿物粒度从2~4mm不等.将岩样加工成18个 过能量释放与耗散原理，定义了岩石破坏前后力学 尺寸为中50mm×25mm的圆盘试件和36个尺寸为 特征的脆性指数和评价指标，并对不同围压下的脆 中50mm×100mm的圆柱体试件，分别进行巴西劈 性特征进行了评价.温韬等)根据不同围压下板岩 裂、单轴和三轴压缩试验.其中，使用北京科技大学 三轴压缩试验，研究了不同围压下板岩的能量变化 WEP-600型万能试验机（图1(a))进行巴西劈裂和 规律和损伤特征.邓华锋等4)对砂岩进行单轴循环 单轴压缩试验，加载速率分别为0.1~0.3MPa·s- 加卸载试验，深入分析了岩石能量耗散演化规律. 和0.5~1.0MPa·s-:使用明尼苏达大学MTS810 谢和平等)通过单轴循环加卸载试验，基于能量耗 试验机（图1(b))进行三轴压缩试验，加载速率为 散分析建立了岩石损伤演化方程，描述了岩石的损 0.0005mm·s1,试验采用环向引伸计控制.最终试 伤演化过程.张志镇与高峰6对煤岩、红砂岩、花岗 验获得的力学特性见表1. 岩等岩石试件进行了固定围压(10MPa)情况下循 (a) 环加卸载试验，探究了岩性对受载岩石能量演化特 征的影响规律.另外，一些学者基于岩石单轴压缩 试验获取应力-应变曲线，从能量角度出发研究岩 爆倾向性.其中，根据峰前应力-应变曲线可获取岩 爆倾向性指数W[]、最大储存弹性应变能指标 E[⑧]、改进脆性指数BIM]等.根据全应力-应变曲 线可获取冲击能量指标W[o)、剩余能量指数 W[)、能量储耗指数k2]、能量比指标B[1]等. 然而，上述研究存在以下局限性：1)许多指标进行 岩爆倾向性预测具有片面性：2)各种能量值的计算 图1试验设备.(a)WEP-6O0试验机：(b)MTS810试险机 都是基于应力应变曲线开展的，缺乏新方法：3)对 Fig.1 Test equipments:(a)WEP-600;(b)MTS810 不同围压三轴循环加卸载下的岩石岩爆倾向性的研 2数值模型构建及细观参数标定 究鲜有报道 本文采用颗粒流理论，确定了三山岛花岗岩在 2.1三维颗粒流数值模型构建 不同围压三轴循环荷载下的应力门槛值，并从细观 基于颗粒黏结模型(bonded particle model,张 英等: 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 strain energy of crack initiation. Moreover, with increasing pressure, the proportion of the crack damage and the peak strain energy de鄄 crease slowly; however, the proportion of peak strain energy decreases to a greater extent. According to the new index Wx for the evalu鄄 ation of the rock burst proneness, when the confining pressure was less than 20 MPa, the rock burst proneness of Sanshandao granite was relatively small, and when the confining pressure reached 30 MPa, the rock burst proneness began to increase rapidly. This study provides a new reference index for the evaluation of rock burst proneness and further provides a new idea for the stability study of under鄄 ground rock mass engineering. KEY WORDS triaxial cyclic loading and unloading; stress thresholds; meso鄄energy; rock burst proneness; particle flow simulation 随着经济的高速发展,国家对能源与资源的需 求持续增长,地球浅部矿物资源逐渐枯竭,资源开发 不断走向深部,在深部硬岩中进行工程活动,有时会 受到循环荷载作用并诱发高强度岩爆等动力灾害, 严重影响地下岩石工程在建设或运行期间的安全 和稳定性[1] . 如何科学地认识深部硬岩在循环荷 载作用下的能量演化规律并进行岩爆倾向性预 测,对于深部地下工程施工期间的安全具有重要 的实际意义. 现阶段,一些学者基于岩石室内试验(单轴、三 轴压缩或循环荷载) 研究能量的演化规律,并获得 许多成果. 衡帅等[2] 基于单轴和三轴压缩试验,通 过能量释放与耗散原理,定义了岩石破坏前后力学 特征的脆性指数和评价指标,并对不同围压下的脆 性特征进行了评价. 温韬等[3]根据不同围压下板岩 三轴压缩试验,研究了不同围压下板岩的能量变化 规律和损伤特征. 邓华锋等[4]对砂岩进行单轴循环 加卸载试验,深入分析了岩石能量耗散演化规律. 谢和平等[5]通过单轴循环加卸载试验,基于能量耗 散分析建立了岩石损伤演化方程,描述了岩石的损 伤演化过程. 张志镇与高峰[6]对煤岩、红砂岩、花岗 岩等岩石试件进行了固定围压(10 MPa) 情况下循 环加卸载试验,探究了岩性对受载岩石能量演化特 征的影响规律. 另外,一些学者基于岩石单轴压缩 试验获取应力鄄鄄应变曲线,从能量角度出发研究岩 爆倾向性. 其中,根据峰前应力鄄鄄应变曲线可获取岩 爆倾向性指数 Wet [7] 、最大储存弹性应变能指标 Es [8] 、改进脆性指数 BIM [9]等. 根据全应力鄄鄄应变曲 线可 获 取 冲 击 能 量 指 标 Wcf [10] 、 剩 余 能 量 指 数 WR [11] 、能量储耗指数 k [12] 、能量比指标 Ber [13] 等. 然而,上述研究存在以下局限性:1) 许多指标进行 岩爆倾向性预测具有片面性;2)各种能量值的计算 都是基于应力应变曲线开展的,缺乏新方法;3) 对 不同围压三轴循环加卸载下的岩石岩爆倾向性的研 究鲜有报道. 本文采用颗粒流理论,确定了三山岛花岗岩在 不同围压三轴循环荷载下的应力门槛值,并从细观 角度对不同应力门槛值对应的边界能、线性接触应 变能、平行黏结应变能、摩擦能、阻尼能、动能等进行 了研究,进而揭示了应力门槛值的能量演化规律,并 从细观能量角度建立了循环加卸载条件下不同围压 的岩爆倾向性评价指标,以期为地下岩体工程稳定 性研究提供新的参考. 1 三山岛花岗岩室内力学特性 试验中花岗岩试件取自三山岛金矿深部,该花 岗岩主要矿物成分为斜长石、钾长石、石英和黑云 母,其体积分数分别为 44% 、20% 、32% 和 4% . 主 要矿物粒度从 2 ~ 4 mm 不等. 将岩样加工成 18 个 尺寸为 准50 mm 伊 25 mm 的圆盘试件和 36 个尺寸为 准50 mm 伊 100 mm 的圆柱体试件,分别进行巴西劈 裂、单轴和三轴压缩试验. 其中,使用北京科技大学 WEP鄄鄄600 型万能试验机(图 1(a))进行巴西劈裂和 单轴压缩试验,加载速率分别为 0郾 1 ~ 0郾 3 MPa·s - 1 和 0郾 5 ~ 1郾 0 MPa·s - 1 ;使用明尼苏达大学 MTS810 试验机(图 1( b))进行三轴压缩试验,加载速率为 0郾 0005 mm·s - 1 ,试验采用环向引伸计控制. 最终试 验获得的力学特性见表 1. 图 1 试验设备. (a) WEP鄄鄄600 试验机;(b) MTS810 试验机 Fig. 1 Test equipments: (a) WEP鄄鄄600;(b) MTS810 2 数值模型构建及细观参数标定 2郾 1 三维颗粒流数值模型构建 基于 颗 粒 黏 结 模 型 ( bonded particle model, ·865·