644 工程科学学报，第43卷，第5期 表3蜂值强度统计 160 (a)Feldspar 60%,Quartz 20%,Mica 20% Table 3 Statistics of peak strengths 140 (b)Feldspar 40%Quartz40%,Mica20% 120 (c)Feldspar 50%,Quartz 40%,Mica 10% Inclination angle of Peak strength Peak strength under cyclic rock specimen,B/() under cyclic load to the uniaxial strength Cycles load/MPa of the intact rock ratio 三100 0 84.4 0.67 号 30 79.3 0.63 60 (a) b)(c) 45 91.3 0.73 24 9 60 96.7 0.7 24 90 112 0.89 以 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 Strain/% B=30时，岩石破裂过程更为迅速，峰值强度仅为 图9不同矿物比例的岩石应力-应变曲线和破坏模式 实验室完整岩石单轴抗压强度的63%；B=90时， Fig.9 Stress-strain curves and failure modes of rocks with different 石强度最高、为完整岩石单轴抗压强度的89%，循 mineral ratios 环扰动荷载对垂直裂隙影响最小. 矿物组分，按物特性、结合室内单轴抗压强度试 3.3矿物组分比例的影响 验结果进行了细观力学性质参数的赋值，进而模 岩石由一种或多种矿物组合而成，其矿物组 拟了岩石试样循环加卸载试验，重现了不同倾角 分所占比例各不相同.花岗岩矿物组分中，长石质 裂隙的扩展演化过程，得出以下结论： 量分数为40%~60%，石英质量分数为20%~ (1)岩石裂隙端部的集中应力促进了裂隙的 40%.为研究矿物组分比例对裂隙分布及力学性 萌生，不同倾角裂隙对应岩石中的新生裂隙走向 质的影响，设定三种不同矿物配比，长石、石英、 与预制贯通裂隙走向基本一致：裂隙萌生阶段首 云母的矿物颗粒体积比依次为6：2：2、4：4：2 先出现剪切裂隙，张拉裂隙出现较晚 和5：4：1.由于裂隙倾角为30时岩石试件强度 (2)根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙 受到影响最为显著，故以此试件模型进行单轴压 起裂角与预制裂隙倾角的关系：倾角B≤45时，剪 缩试验 切和张拉裂隙的起裂角单调递减，张拉裂隙比剪 裂隙倾角为30的岩石试件，在不同矿物组分 切裂隙的起裂角大：倾角B≥60时，剪切和张拉裂 比例下的应力-应变曲线和破坏模式如图9所示 隙的起裂角单调递增，剪切裂隙的起裂角较大.由 花岗岩中云母矿物强度最低，随其含量的减少，岩 于裂隙扩展方向与最大拉应力方向保持垂直，当 石试件的峰值应力显著增加；当长石含量最高时， 裂隙扩展角保持不变时，起裂角大的裂隙更倾向 岩石初始压密阶段显著缩短；当云母矿物含量一 于最大主应力方向、裂隙发展最快 定、石英含量逐渐增大时，岩石初始压密阶段特征 (3)循环扰动荷载增加了岩石裂隙的发育程 逐渐突出.预制裂隙岩石试件中，端部裂隙逐渐发 度，这种增加主要体现在裂隙不稳定扩展阶段，张 展和贯通，最终导致失稳破坏.石英含量最高的模 拉裂隙数目增长速率显著提高.相比于静态载荷， 型中，岩石破坏主要是剪切破裂面上裂隙贯通所 循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形；提高 致，破坏模式呈典型的破裂面横向破坏，此时裂隙 循环扰动荷载应力上限，促使岩体轴向残余应变 发展数目最少：随长石含量的增高，裂隙面端部裂 进入加速阶段.岩石轴向残余变形发展情况在不 隙逐渐向着外荷载方向扩展，试件裂隙数目最大、 同裂隙倾角下存在差异，在倾角B=45°和B=90° 更倾向于竖向劈裂破坏 时分别达到最大和最小 岩石中矿物组分比例是影响其宏观力学性质 (4)岩石在裂隙尖端起裂并发展为剪切破裂 的因素之一.因此，在采用数值方法分析岩石材料 带、这一破裂带沿加载方向与加载端部的局部破 变形破坏过程时，应考虑岩石中不同矿物比例的 裂带连接，导致岩石整体失稳破坏.循环扰动应力 影响 下，模型试件的峰值强度为实验室完整岩石单轴 抗压强度的63%~89%，随裂隙倾角的增大表现出 4结论 先减小后增大的趋势.本文所建离散元模型，考虑 建立了反映花岗岩非均质结构特征的颗粒流 了岩石中不同矿物组分的影响，对岩石变形破坏 模型，采用灰度分界阈值分割法识别了岩石中的 机理研究具有参考意义β =30°时，岩石破裂过程更为迅速，峰值强度仅为 实验室完整岩石单轴抗压强度的 63%；β =90°时 ， 石强度最高、为完整岩石单轴抗压强度的 89%，循 环扰动荷载对垂直裂隙影响最小. 3.3    矿物组分比例的影响 岩石由一种或多种矿物组合而成，其矿物组 分所占比例各不相同. 花岗岩矿物组分中，长石质 量分数 为 40% ～ 60%，石英质量分数 为 20%～ 40%. 为研究矿物组分比例对裂隙分布及力学性 质的影响，设定三种不同矿物配比，长石、石英、 云母的矿物颗粒体积比依次为 6∶2∶2、4∶4∶2 和 5∶4∶1. 由于裂隙倾角为 30°时岩石试件强度 受到影响最为显著，故以此试件模型进行单轴压 缩试验. 裂隙倾角为 30°的岩石试件，在不同矿物组分 比例下的应力−应变曲线和破坏模式如图 9 所示. 花岗岩中云母矿物强度最低，随其含量的减少，岩 石试件的峰值应力显著增加；当长石含量最高时， 岩石初始压密阶段显著缩短；当云母矿物含量一 定、石英含量逐渐增大时，岩石初始压密阶段特征 逐渐突出. 预制裂隙岩石试件中，端部裂隙逐渐发 展和贯通，最终导致失稳破坏. 石英含量最高的模 型中，岩石破坏主要是剪切破裂面上裂隙贯通所 致，破坏模式呈典型的破裂面横向破坏，此时裂隙 发展数目最少；随长石含量的增高，裂隙面端部裂 隙逐渐向着外荷载方向扩展，试件裂隙数目最大、 更倾向于竖向劈裂破坏. 岩石中矿物组分比例是影响其宏观力学性质 的因素之一. 因此，在采用数值方法分析岩石材料 变形破坏过程时，应考虑岩石中不同矿物比例的 影响. 4    结论 建立了反映花岗岩非均质结构特征的颗粒流 模型，采用灰度分界阈值分割法识别了岩石中的 矿物组分，按矿物特性、结合室内单轴抗压强度试 验结果进行了细观力学性质参数的赋值，进而模 拟了岩石试样循环加卸载试验，重现了不同倾角 裂隙的扩展演化过程，得出以下结论： （1）岩石裂隙端部的集中应力促进了裂隙的 萌生，不同倾角裂隙对应岩石中的新生裂隙走向 与预制贯通裂隙走向基本一致；裂隙萌生阶段首 先出现剪切裂隙，张拉裂隙出现较晚. （2）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，张拉裂隙比剪 切裂隙的起裂角大；倾角 β ≥ 60°时，剪切和张拉裂 隙的起裂角单调递增，剪切裂隙的起裂角较大. 由 于裂隙扩展方向与最大拉应力方向保持垂直，当 裂隙扩展角保持不变时，起裂角大的裂隙更倾向 于最大主应力方向、裂隙发展最快. （3）循环扰动荷载增加了岩石裂隙的发育程 度，这种增加主要体现在裂隙不稳定扩展阶段，张 拉裂隙数目增长速率显著提高. 相比于静态载荷， 循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形；提高 循环扰动荷载应力上限，促使岩体轴向残余应变 进入加速阶段. 岩石轴向残余变形发展情况在不 同裂隙倾角下存在差异，在倾角 β = 45°和 β = 90° 时分别达到最大和最小. （4）岩石在裂隙尖端起裂并发展为剪切破裂 带. 这一破裂带沿加载方向与加载端部的局部破 裂带连接，导致岩石整体失稳破坏. 循环扰动应力 下，模型试件的峰值强度为实验室完整岩石单轴 抗压强度的 63%～89%，随裂隙倾角的增大表现出 先减小后增大的趋势. 本文所建离散元模型，考虑 了岩石中不同矿物组分的影响，对岩石变形破坏 机理研究具有参考意义. 表 3    峰值强度统计 Table 3    Statistics of peak strengths Inclination angle of rock specimen, β/(°) Peak strength under cyclic load/MPa Peak strength under cyclic load to the uniaxial strength of the intact rock ratio Cycles 0 84.4 0.67 21 30 79.3 0.63 24 45 91.3 0.73 24 60 96.7 0.77 24 90 112 0.89 24 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Strain/% Stress/MPa (a) Feldspar 60%, Quartz 20%, Mica 20% (b) Feldspar 40%, Quartz 40%, Mica 20% (c) Feldspar 50%, Quartz 40%, Mica 10% (a) (b) (c) 图 9    不同矿物比例的岩石应力–应变曲线和破坏模式 Fig.9     Stress –strain  curves  and  failure  modes  of  rocks  with  different mineral ratios · 644 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期