胡小川等：基于UDEC-GBM的矿物晶粒解理特征对硬岩石破坏过程的影响 3 中实现穿晶、沿晶的模拟，但均未对晶粒解理属性 变呈明显线弹性关系，属于典型的硬、脆性岩石 (例如解理倾角、间距)对岩石的力学性质及微观 宏观观察、偏振光观察显示该花岗岩属于典型的 开裂机制做更多研究 显晶质结构，见图1，且该类花岗岩主要由多边形 本文采用离散单元法模拟岩石在颗粒级别的 矿物颗粒镶嵌、内锁组成，矿物晶粒直径在2~ 穿晶破坏，研究矿物晶粒内部解理倾角、间距及解 22mm之间分布，按粗粒（晶粒直径>5mm)、中粒 理围压效应对岩石微观力学性质及微观开裂机制 (5mm≥品粒直径>2mm)、细粒（晶粒直径≤2mm) 的影响，为进一步从晶粒级别认识显晶质岩石复 的晶粒尺寸划分标准，属于细中晶粒花岗岩.矿物 杂的力学性质、破坏过程提供参考和借鉴 成分分析显示，该类花岗岩主要由10%斜长石、 1试件描述 27%石英、58%钾长石、3%黑云母及2%其他组成 (均为体积分数).电子显微镜(SEM)观察显示，岩 本试验选取自广西梧州市岑溪县红色中粗晶 石内部存在一些原生裂隙、孔洞，这有助于认识 粒花岗岩作为试验对象，该花岗岩弹模约32.2GPa, 硬、脆性岩石张性破坏的产生和孕育.花岗岩基 单轴压缩强度UCS约115.4MPa,其峰前应力-应 本物理、力学参数见表1 图1岩石材料 Fig.I Rock material 表1基本物理与力学参数 多边形(Voronoi)对岩石进行离散.但是，本文仅 Table 1 Basic physical and mechanical parameters 仅模拟岩石的平均颗粒尺寸和不同比例的矿物成 Density/ Uniaxial compressive Elastic modulus/ P,wave 分，并不追求实现真实的矿物颗粒尺寸分布，因为 (kg'm) strength/MPa GPa velocity/(km's) 这在UDEC建模中还存在一定的困难.同时，目前 2687 115 32.2 4.5 的模型也并不追求实现同真实矿物颗粒的儿何结 构完全相同，因此用泰森多边形代替矿物颗粒是 2模型配置 对矿物颗粒的几何结构进行一定简化的结果 本文采用UDEC商业软件进行模拟)，因为 1=0.1ms-1 1=0.1m's1 基于颗粒的UDEC方法(UDEC-GBM)所建立模型 (完全接触、内嵌)内部矿物颗粒之间全接触的形 式更能有效地、真实地反映岩石的泊松比、拉压 比例及矿物颗粒之间内锁问题图从真实矿物几 何结构上讲，相对于UDEC中的三角形块体及 Move direction PFC2D中的圆盘颗粒，多边形颗粒更能现实地模 Shear failure 拟岩石内部的矿物颗粒，反映矿物颗粒的微观结 Tensile cracking 构特征.例如，图1显示矿物品粒总是以非规则的 图2 Voronoi模型和Trigon模型破坏路径比较 多边形镶嵌.从数值模拟效果上看，多边形块体使 Fig.2 Comparison of potential failure paths between the Voronoi model 岩石更易出现张拉破坏，破坏边缘较为不规则，而 and Trigon model 三角形块体通常使得岩石更加倾向于剪切开裂， 本文采用Gao等I9提出的模拟穿晶破坏的方 破坏路径相对光滑，见图2，其中v表示加载速度 法进行模型设置：(1)按照真实矿物颗粒的平均尺 考虑到岩石矿物颗粒真实结构和硬质岩石单轴下 寸(4.5mm)用泰森多边形对岩石进行离散；(2)按 更倾向于张拉破坏现象，本文采用UDEC中泰森 照岩石真实矿物比例（见表2）对多边形进行分类，中实现穿晶、沿晶的模拟，但均未对晶粒解理属性 （例如解理倾角、间距）对岩石的力学性质及微观 开裂机制做更多研究. 本文采用离散单元法模拟岩石在颗粒级别的 穿晶破坏，研究矿物晶粒内部解理倾角、间距及解 理围压效应对岩石微观力学性质及微观开裂机制 的影响，为进一步从晶粒级别认识显晶质岩石复 杂的力学性质、破坏过程提供参考和借鉴. 1    试件描述 本试验选取自广西梧州市岑溪县红色中粗晶 粒花岗岩作为试验对象，该花岗岩弹模约 32.2 GPa， 单轴压缩强度 UCS 约 115.4 MPa，其峰前应力–应 变呈明显线弹性关系，属于典型的硬、脆性岩石. 宏观观察、偏振光观察显示该花岗岩属于典型的 显晶质结构，见图 1，且该类花岗岩主要由多边形 矿物颗粒镶嵌、内锁组成，矿物晶粒直径在 2～ 22 mm 之间分布，按粗粒（晶粒直径>5 mm）、中粒 （5 mm≥晶粒直径>2 mm）、细粒（晶粒直径≤2 mm） 的晶粒尺寸划分标准，属于细中晶粒花岗岩. 矿物 成分分析显示，该类花岗岩主要由 10% 斜长石、 27% 石英、58% 钾长石、3% 黑云母及 2% 其他组成 （均为体积分数）. 电子显微镜（SEM）观察显示，岩 石内部存在一些原生裂隙、孔洞，这有助于认识 硬、脆性岩石张性破坏的产生和孕育. 花岗岩基 本物理、力学参数见表 1. 10 mm 1 mm 200 μm 图 1    岩石材料 Fig.1    Rock material 表 1 基本物理与力学参数 Table 1   Basic physical and mechanical parameters Density/ (kg·m−3) Uniaxial compressive strength/MPa Elastic modulus/ GPa P, wave velocity/(km·s−1) 2687 115 32.2 4.5 2    模型配置 本文采用 UDEC 商业软件进行模拟[17] ，因为 基于颗粒的 UDEC 方法（UDEC-GBM）所建立模型 （完全接触、内嵌）内部矿物颗粒之间全接触的形 式更能有效地、真实地反映岩石的泊松比、拉压 比例及矿物颗粒之间内锁问题[18] . 从真实矿物几 何结构上讲 ，相对 于 UDEC 中的三角形块体 及 PFC2D 中的圆盘颗粒，多边形颗粒更能现实地模 拟岩石内部的矿物颗粒，反映矿物颗粒的微观结 构特征. 例如，图 1 显示矿物晶粒总是以非规则的 多边形镶嵌. 从数值模拟效果上看，多边形块体使 岩石更易出现张拉破坏，破坏边缘较为不规则，而 三角形块体通常使得岩石更加倾向于剪切开裂， 破坏路径相对光滑，见图 2，其中 v 表示加载速度. 考虑到岩石矿物颗粒真实结构和硬质岩石单轴下 更倾向于张拉破坏现象，本文采用 UDEC 中泰森 多边形（Voronoi）对岩石进行离散. 但是，本文仅 仅模拟岩石的平均颗粒尺寸和不同比例的矿物成 分，并不追求实现真实的矿物颗粒尺寸分布，因为 这在 UDEC 建模中还存在一定的困难. 同时，目前 的模型也并不追求实现同真实矿物颗粒的几何结 构完全相同，因此用泰森多边形代替矿物颗粒是 对矿物颗粒的几何结构进行一定简化的结果. v=0.1 m·s−1 v=0.1 m·s−1 Move direction Shear failure Tensile cracking σ3 σ1 图 2    Voronoi 模型和 Trigon 模型破坏路径比较 Fig.2    Comparison of potential failure paths between the Voronoi model and Trigon model 本文采用 Gao 等[19] 提出的模拟穿晶破坏的方 法进行模型设置：(1) 按照真实矿物颗粒的平均尺 寸（4.5 mm）用泰森多边形对岩石进行离散；(2) 按 照岩石真实矿物比例（见表 2）对多边形进行分类， 胡小川等： 基于 UDEC-GBM 的矿物晶粒解理特征对硬岩石破坏过程的影响 · 3 ·