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 643 3裂隙岩体力学特征 =45的岩石初始应变较大，-0°和30的岩石塑性 变形最小.当循环荷载为峰值强度的40%70% 3.1轴向残余应变特征 和40%~80%时处于稳定阶段（Ⅱ），残余应变随着 在循环荷载作用下，岩体塑性变形随着循环次 循环次数的增加，应变缓慢增长.当循环应力上限 数N的增加而逐渐累积.假设轴向残余应变ε为循 提高到峰值应力0.9倍时，应变值开始迅速增长， 环荷载水平下限两个连续循环之间轴向应变的差值， 进入加速阶段（Ⅲ）：该阶段中，=0的岩石经历 则循环次数与累计残余应变关系如图7所示，图7 3次循环扰动应力首先出现破坏、总循环次数累 中，曲线呈反S形，加载应力初次达到峰值荷载的 计21次，一=30°、45°和60的岩石均在第6次循环 0.4倍为循环次数的起，点.随着循环次数的增加，裂 中残余应变发生突变、产生破环，=90°的岩石经 隙岩体试件在循环应力限值之间表现出不同的特点 过24次循环扰动荷载后残余应变依旧稳定增长、 进入裂隙不稳定扩展阶段(DE阶段)、峰值应力仅 0.28 次于单轴抗压强度.由此可见，扰动荷载应力上限 026 的提高能够加快岩体轴向应变进入加速阶段，促 'ure.ns 0.24 进裂隙的扩展和贯通. 0.22 岩石的轴向应变不仅受应力水平、循环次数 影响，还与岩石预制裂隙的倾角有关.其中，倾角 0.20 =30°和=45的岩石，轴向残余应变最大，受循环 0.18 =0°，-·=30°，+-=45° =60°：◆=90° 荷载影响也最大；大倾角裂隙岩体(B≥60)，轴向 0.16 0 6 12 18 残余应变受循环荷载影响相对较小 Cycles,N 3.2裂隙岩体的强度特征 图7循环次数与轴向应变关系 岩石裂纹从裂隙尖端开始，在扰动应力作用 Fig.7 Relation between the number of cycles and axial strain 下逐渐扩展、破坏模式由剪切破坏为主转变为张 根据模拟结果，当循环荷载为峰值强度的 拉破坏占主导.图8为不同预制裂隙倾角岩石试 40%~60%时岩石处于初始阶段(I),裂隙倾角 件在循环加卸载结束后的破裂模式. Quartz Shear crack Tension crack Pre-existing crack 特 因8不同预制裂隙倾角岩石试件的破裂模式.(a)B=0°：(b)B=30°：(c)B=45°：(d)B=60°：(e)B=90° Fig.8 Fracture modes of a rock specimen with different crack angles::(a)B=0°，(b)B=30°；(c)B=45o;(d)B=60°：(e)B=90 根据图8中裂隙的分布可以看出，裂隙的扩展 90的岩石试件破裂模式与完整试件最为接近、呈 方向与加载方向一致.预制裂隙两端部形成剪切 现劈裂破环.岩石试件模型在单轴压缩和循环扰 破裂带，进一步向上侧和下侧中部发展为破裂面、 动荷载作用下的强度统计结果见表3，表中峰值强 分别与加载两端的局部剪切带连接，导致岩石整 度弱化岩石试件取最大加载应力水平上限 体失稳破坏.在不同预制裂隙倾角（β）中的岩石试 循环扰动应力和裂隙倾角对岩体强度影响很 件中，当B=0时（图8(a)),裂隙中部应力集中区 大：模型试件的峰值强度随裂隙倾角的增大表现 域产生破裂，与端部裂隙共同沿外荷载方向扩展， 出先减小后增大的趋势：扰动应力加剧了新生裂 发生横向破裂面贯通破坏；当B=30°~60时，岩石 隙的扩展，在循环次数一定条件下扰动应力与循 多为横向破裂与竖向劈裂组合贯通破坏；当B= 环荷载的应力上限成正比例增加.预制裂隙倾角3    裂隙岩体力学特征 3.1    轴向残余应变特征 在循环荷载作用下，岩体塑性变形随着循环次 数 N 的增加而逐渐累积. 假设轴向残余应变 ε 为循 环荷载水平下限两个连续循环之间轴向应变的差值， 则循环次数与累计残余应变关系如图 7 所示，图 7 中，曲线呈反 S 形，加载应力初次达到峰值荷载的 0.4 倍为循环次数的起点. 随着循环次数的增加，裂 隙岩体试件在循环应力限值之间表现出不同的特点. 0 6 12 18 24 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Axial residual strain, ε/% β=0°; β=30°; β=60°; β=90° β=45° Cycles, N 图 7    循环次数与轴向应变关系 Fig.7    Relation between the number of cycles and axial strain 根据模拟结果 ，当循环荷载为峰值强度 的 40%～60% 时岩石处于初始阶段 (Ⅰ)，裂隙倾角 β=45°的岩石初始应变较大，β=0°和 30°的岩石塑性 变形最小. 当循环荷载为峰值强度的 40%～70% 和 40%～80% 时处于稳定阶段 (Ⅱ)，残余应变随着 循环次数的增加，应变缓慢增长. 当循环应力上限 提高到峰值应力 0.9 倍时，应变值开始迅速增长， 进入加速阶段 (Ⅲ)；该阶段中 ， β=0°的岩石经历 3 次循环扰动应力首先出现破坏、总循环次数累 计 21 次，β=30°、45°和 60°的岩石均在第 6 次循环 中残余应变发生突变、产生破坏，β=90°的岩石经 过 24 次循环扰动荷载后残余应变依旧稳定增长、 进入裂隙不稳定扩展阶段（DE 阶段）、峰值应力仅 次于单轴抗压强度. 由此可见，扰动荷载应力上限 的提高能够加快岩体轴向应变进入加速阶段，促 进裂隙的扩展和贯通. 岩石的轴向应变不仅受应力水平、循环次数 影响，还与岩石预制裂隙的倾角有关. 其中，倾角 β=30°和 β=45°的岩石，轴向残余应变最大，受循环 荷载影响也最大；大倾角裂隙岩体（β≥60°），轴向 残余应变受循环荷载影响相对较小. 3.2    裂隙岩体的强度特征 岩石裂纹从裂隙尖端开始，在扰动应力作用 下逐渐扩展、破坏模式由剪切破坏为主转变为张 拉破坏占主导. 图 8 为不同预制裂隙倾角岩石试 件在循环加卸载结束后的破裂模式. Tension crack Mica Feldspar Quartz Shear crack (a) (b) (c) (d) (e) Pre-existing crack 图 8    不同预制裂隙倾角岩石试件的破裂模式. （a）β =0°；（b）β =30°；（c）β =45°；（d）β =60°；（e）β =90° Fig.8    Fracture modes of a rock specimen with different crack angles: (a) β = 0°; (b) β = 30°; (c) β = 45°; (d) β = 60°; (e) β = 90° 根据图 8 中裂隙的分布可以看出，裂隙的扩展 方向与加载方向一致. 预制裂隙两端部形成剪切 破裂带，进一步向上侧和下侧中部发展为破裂面、 分别与加载两端的局部剪切带连接，导致岩石整 体失稳破坏. 在不同预制裂隙倾角（β）中的岩石试 件中，当 β =0°时（图 8（a）），裂隙中部应力集中区 域产生破裂，与端部裂隙共同沿外荷载方向扩展， 发生横向破裂面贯通破坏；当 β =30°～60°时，岩石 多为横向破裂与竖向劈裂组合贯通破坏；当 β = 90°的岩石试件破裂模式与完整试件最为接近、呈 现劈裂破坏. 岩石试件模型在单轴压缩和循环扰 动荷载作用下的强度统计结果见表 3，表中峰值强 度弱化岩石试件取最大加载应力水平上限. 循环扰动应力和裂隙倾角对岩体强度影响很 大：模型试件的峰值强度随裂隙倾角的增大表现 出先减小后增大的趋势；扰动应力加剧了新生裂 隙的扩展，在循环次数一定条件下扰动应力与循 环荷载的应力上限成正比例增加. 预制裂隙倾角 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 · 643 ·