640 工程科学学报，第43卷，第5期 载试验.通过单轴抗压强度试验，获得5组不同裂 裂隙分组统计采用相似归并法.这一方法原 隙倾角花岗岩的峰值荷载；循环荷载上限分别取 理是：归并产状相近的两条裂隙，以平均产状为新 峰值荷载的60%、70%、80%和90%，循环荷载下 的裂隙组，总裂隙数量相应减少一组，如此往复进 限为峰值荷载的40%：待到循环荷载结束后，继续 行.裂隙所在空间平面以其法线矢量表示，根据产 加载到试样破坏.在研究扰动荷载对岩石裂隙萌 状可换算出其平面法线矢量余弦（即单位矢量）： 生的影响分析中-，该循环荷载下限值大于试 {sinBsin叱，sinBcosx,cosB引，X为裂隙倾向，B为裂隙倾 件压密阶段的应力，可以避免压密阶段对循环过 角.视法线矢量夹角最小的两个平面裂隙为相近 程中花岗岩变形特性的影响.每级荷载循环六次， 产状（采用法线矢量夹角的余弦值进行比较），计 以模拟扰动压应力的环境 算如下： 2裂隙岩体破裂过程分析 cosΦ=sinp1sinX1sinf2sinK2+sinβ1 cosxI sinB2cos2+cosB cosB2 (4) 2.1新生裂隙分布规律 则平均产状对应的法线矢量为： 2.11裂隙萌生走向分布 (KYZ={∑singsin此am-∑sinB.cos,∑cosB 岩石中的局部应力和集中应力促进了新生裂 (5) 隙的萌生与扩展，裂隙主要包括剪切裂隙和拉伸 式中，X轴表示平均产状对应正北方向的法线矢量， 裂隙两种类型.通过内置FISH语言编制跟踪颗粒 Y轴为正东方向的法线矢量，Z轴垂直水平面的法 接触点破坏情况的程序，确定模型中新生剪切和 线矢量，n为平面裂隙组数.平均产状可按下式计算： 拉伸裂隙的位置、类型和裂隙面产状.裂隙花岗 X=arctan(lX/IYD） (6) 岩在实验条件下，起裂强度为峰值强度的0.4~ 0.8倍2本次研究中，峰值荷载前应力水平达到 B=arccos(IZI/X+2) (7) 0.4时，花岗岩模型萌生少量的裂隙：当第一级循 由此得到裂隙岩石试件的走向玫瑰花图如图4 环荷载（应力水平0.4~0.6）结束后，对模型中预制 所示.裂隙倾向和倾角统计结果见表2，其中裂隙 裂隙周边新生裂隙情况进行统计分析 的优势倾向分组数取2 (a) Shear crack (b) Shear crack Tension crack 270° 90°270° 90°270° 90°270° Sheaerack Tension crack (d) Shear crack Tension crack 09 00 08 270° 90°270° 90°270° 90270° (e) Shear crack Tension crack 0° 270° 90°270° 90° 图4裂隙岩石试件走向政瑰花图.(a)B=0°：(b)B=30:(cB=45°：(d)B=60:(e)B=90° Fig.4 Strike rose diagrams of a cracked rock specimen:(a)=(b)B=30(c)B=45(d)60:(e)B=9 根据统计结果，当裂隙倾角=0时张拉裂隙 和剪切裂隙优势走向在0°左右，与预制裂隙走向 的优势走向在331°~350°；当裂隙倾角=30°和 一致；当裂隙倾角=90时剪切裂隙多在351°~ =45时，新生剪切裂隙的优势走向分布于351°~ 360° 360°，张拉裂隙的优势走向在341°~350°，两类裂 由于试样模型中预制裂隙贯通，在单轴压缩 隙分布较为集中；当裂隙倾角=60时，张拉裂隙 荷载作用下新生裂隙的走向大体与预制裂隙一载试验. 通过单轴抗压强度试验，获得 5 组不同裂 隙倾角花岗岩的峰值荷载；循环荷载上限分别取 峰值荷载的 60%、70%、80% 和 90%，循环荷载下 限为峰值荷载的 40%；待到循环荷载结束后，继续 加载到试样破坏. 在研究扰动荷载对岩石裂隙萌 生的影响分析中[11−12] ，该循环荷载下限值大于试 件压密阶段的应力，可以避免压密阶段对循环过 程中花岗岩变形特性的影响. 每级荷载循环六次， 以模拟扰动压应力的环境. 2    裂隙岩体破裂过程分析 2.1    新生裂隙分布规律 2.1.1    裂隙萌生走向分布 岩石中的局部应力和集中应力促进了新生裂 隙的萌生与扩展，裂隙主要包括剪切裂隙和拉伸 裂隙两种类型. 通过内置 FISH 语言编制跟踪颗粒 接触点破坏情况的程序，确定模型中新生剪切和 拉伸裂隙的位置、类型和裂隙面产状. 裂隙花岗 岩在实验条件下，起裂强度为峰值强度的 0.4～ 0.8 倍[29] . 本次研究中，峰值荷载前应力水平达到 0.4 时，花岗岩模型萌生少量的裂隙；当第一级循 环荷载（应力水平 0.4～0.6）结束后，对模型中预制 裂隙周边新生裂隙情况进行统计分析. {sinβsinχ,sinβcosχ, cosβ} χ β 裂隙分组统计采用相似归并法. 这一方法原 理是：归并产状相近的两条裂隙，以平均产状为新 的裂隙组，总裂隙数量相应减少一组，如此往复进 行. 裂隙所在空间平面以其法线矢量表示，根据产 状可换算出其平面法线矢量余弦（即单位矢量）： ， 为裂隙倾向， 为裂隙倾 角. 视法线矢量夹角最小的两个平面裂隙为相近 产状（采用法线矢量夹角的余弦值进行比较），计 算如下： cosΦ = sinβ1 sinχ1 sinβ2 sinχ2+sinβ1 cosχ1 sinβ2 cosχ2+cosβ1 cosβ2 （4） 则平均产状对应的法线矢量为： {XYZ} = {∑ sinβnsinχn, ∑ sinβncosχn, ∑ cosβn } （5） 式中，X 轴表示平均产状对应正北方向的法线矢量， Y 轴为正东方向的法线矢量，Z 轴垂直水平面的法 线矢量，n 为平面裂隙组数. 平均产状可按下式计算： χ = arctan(|X| / |Y|) （6） β = arccos(|Z| / √ |X| 2 +|Y| 2 ) （7） 由此得到裂隙岩石试件的走向玫瑰花图如图 4 所示. 裂隙倾向和倾角统计结果见表 2，其中裂隙 的优势倾向分组数取 2. (a) Shear crack Tension crack 0° 270° 0° 270° 90° (b) Shear crack Tension crack 0° 270° 90° 0° 270° 90° (c) Shear crack Tension crack 0° 270° 90° 0° 270° 90° (d) Shear crack Tension crack 0° 270° 90° 0° 270° 90° (e) Shear crack Tension crack 0° 90° 270° 90° 0° 90° 270° 图 4    裂隙岩石试件走向玫瑰花图. （a）β = 0°；（b）β = 30°；（c）β = 45°；（d）β = 60°；（e）β = 90° Fig.4    Strike rose diagrams of a cracked rock specimen: (a) β = 0°; (b) β = 30°; (c) β = 45°; (d) β = 60°; (e) β = 90° 根据统计结果，当裂隙倾角 β=0°时张拉裂隙 的优势走向 在 331°～ 350°；当裂隙倾 角 β=30°和 β=45°时，新生剪切裂隙的优势走向分布于 351°～ 360°，张拉裂隙的优势走向在 341°～350°，两类裂 隙分布较为集中；当裂隙倾角 β=60°时，张拉裂隙 和剪切裂隙优势走向在 0°左右，与预制裂隙走向 一致；当裂隙倾角 β=90°时剪切裂隙多在 351°～ 360°. 由于试样模型中预制裂隙贯通，在单轴压缩 荷载作用下新生裂隙的走向大体与预制裂隙一 · 640 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期