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 ·867· 14r 围压三轴循环加御载条件下确定试件应力门槛值的 一一一模拟 12 方法相同，因此，仅以围压σ3=5MPa时的情况 一试验 10 为例. 如图6所示，偏应力为轴向应力与侧向应力之 8 差，试件破坏过程可由应力门槛值σ（起裂应力）、 6 σ（损伤应力）和σ，（峰值强度）划分为4个阶段， 分别为：I弹性阶段、Ⅱ微裂纹稳定扩展阶段、Ⅲ微 裂纹加速扩展阶段和IV峰后阶段.Martin与Chan- dler[is),Brace等[i6],Hoek与Bieniawski7)和Hall- 0.01 0.020.030.04 0.05 轴向应变/% bauer等u8)通过试验对花岗岩的破环进行了详细研 图3花岗岩巴西劈裂试验和模拟结果对比 究，将岩石的应力-应变曲线划分为5个阶段，分别 Fig.3 Results of Brazilian splitting test of granite obtained from nu- 为：微裂纹压密阶段、弹性阶段、微裂纹稳定扩展阶 merical simulation and experiments 段、微裂纹加速扩展阶段和峰后阶段.对比可知，模 120 拟试验与室内试验存在一定差异，由于模拟试件颗 一一一模拟 粒分布均匀、挤压密实、接触稳定，无法反映试验中 100 一试验 花岗岩内部存在的原始裂纹，所以导致微裂纹压密 80 阶段不存在. 60 门槛值σ的确定：σ。为起裂点对应的应力，此 时裂纹体积应变为0，当裂纹体积应变的绝对值大 40 于0，微裂纹起裂开始，该应力值通过裂纹体积应 20 变-轴向应变曲线确定.裂纹体积应变的计算遵循 下列公式]： 0.050.100.150.200.250.300.350.40 (1) 轴向应变% Eve =Ey-Eve 图4花岗岩单轴压缩试验和模拟结果对比 -1-2"(1-03) Ev E (2) Fig.4 Results of uniaxial compression test of granite obtained from 式中：6为裂纹体积应变，6，为总体积应变，6为弹 numerical simulation and experiments 性体积应变，σ1为轴向应力，σ3为侧向应力，E为弹 500r ■试验值 性阶段的弹性模量，为弹性阶段的泊松比. 。模拟值 由于循环加卸载的次数较多，体积应变-轴向 400 试验值拟合 模拟值拟合 应变曲线较密集，不利于确定σ。，故需简化处理，采 用体积应变-轴向应变曲线的包络线来确定σ，如 300 图6中放大部分. 200 门槛值σ的确定：σ为总体积应变拐点对应 试验2-0.9940 模拟R2-0.9924 的应力，由总体积应变-轴向应变曲线确定，当岩石 1005 的体积应变开始由压缩主导变为膨胀主导，即可确 定拐点，拐点的出现标志着试件体积的增大 10 20 30 40 50 60 门槛值σ，的确定：σ为试件的峰值强度 围压/MPa 根据图6所示方式，可确定围压为0~50MPa 图5不同围压下模拟和试验的强度包络线对比 Fig.5 Comparison of the strength envelopes of simulations and tests 时相应的σ/c,分别为37.0%、40.5%、38.0%、 under different confining pressures 37.5%、44.8%、42.3%和40.2%；0a/0分别为 89.0%、83.8%、81.2%、81.5%、84.6%、86.2%和 使应力卸载到0.2MPa,不断重复，当应力达到约 87.0%. 90%的峰值强度时将加载方式改为应变控制，卸载 3.2细观能量演化规律 方式仍使用应力控制，继续进行循环加卸载，直到试 对于岩石的变形和破坏，从能量角度分析可知： 件达到残余强度，最终结束模拟试验.由于在不同 外力对岩石做功产生不可恢复的塑性变形，在岩石张 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 图 3 花岗岩巴西劈裂试验和模拟结果对比 Fig. 3 Results of Brazilian splitting test of granite obtained from nu鄄 merical simulation and experiments 图 4 花岗岩单轴压缩试验和模拟结果对比 Fig. 4 Results of uniaxial compression test of granite obtained from numerical simulation and experiments 图 5 不同围压下模拟和试验的强度包络线对比 Fig. 5 Comparison of the strength envelopes of simulations and tests under different confining pressures 使应力卸载到 0郾 2 MPa,不断重复,当应力达到约 90% 的峰值强度时将加载方式改为应变控制,卸载 方式仍使用应力控制,继续进行循环加卸载,直到试 件达到残余强度,最终结束模拟试验. 由于在不同 围压三轴循环加卸载条件下确定试件应力门槛值的 方法相同,因此,仅以围压 滓3 = 5 MPa 时的情况 为例. 如图 6 所示,偏应力为轴向应力与侧向应力之 差,试件破坏过程可由应力门槛值 滓ci(起裂应力)、 滓cd (损伤应力)和 滓f (峰值强度)划分为 4 个阶段, 分别为:玉弹性阶段、域微裂纹稳定扩展阶段、芋微 裂纹加速扩展阶段和郁峰后阶段. Martin 与 Chan鄄 dler [15] ,Brace 等[16] ,Hoek 与 Bieniawski [17] 和 Hall鄄 bauer 等[18]通过试验对花岗岩的破坏进行了详细研 究,将岩石的应力鄄鄄应变曲线划分为 5 个阶段,分别 为:微裂纹压密阶段、弹性阶段、微裂纹稳定扩展阶 段、微裂纹加速扩展阶段和峰后阶段. 对比可知,模 拟试验与室内试验存在一定差异,由于模拟试件颗 粒分布均匀、挤压密实、接触稳定,无法反映试验中 花岗岩内部存在的原始裂纹,所以导致微裂纹压密 阶段不存在. 门槛值 滓ci的确定:滓ci为起裂点对应的应力,此 时裂纹体积应变为 0,当裂纹体积应变的绝对值大 于 0,微裂纹起裂开始,该应力值通过裂纹体积应 变鄄鄄轴向应变曲线确定. 裂纹体积应变的计算遵循 下列公式[15] : 着vc = 着v - 着ve (1) 着ve = 1 - 2v E (滓1 - 滓3 ) (2) 式中:着vc为裂纹体积应变,着v为总体积应变,着ve为弹 性体积应变,滓1为轴向应力,滓3为侧向应力,E 为弹 性阶段的弹性模量,v 为弹性阶段的泊松比. 由于循环加卸载的次数较多,体积应变鄄鄄 轴向 应变曲线较密集,不利于确定 滓ci,故需简化处理,采 用体积应变鄄鄄轴向应变曲线的包络线来确定 滓ci,如 图 6 中放大部分. 门槛值 滓cd的确定:滓cd为总体积应变拐点对应 的应力,由总体积应变鄄鄄轴向应变曲线确定,当岩石 的体积应变开始由压缩主导变为膨胀主导,即可确 定拐点,拐点的出现标志着试件体积的增大. 门槛值 滓f的确定:滓f为试件的峰值强度. 根据图 6 所示方式,可确定围压为 0 ~ 50 MPa 时相应的 滓ci / 滓f 分别为 37郾 0% 、 40郾 5% 、 38郾 0% 、 37郾 5% 、44郾 8% 、 42郾 3% 和 40郾 2% ; 滓cd / 滓f 分 别 为 89郾 0% 、83郾 8% 、81郾 2% 、81郾 5% 、84郾 6% 、86郾 2% 和 87郾 0% . 3郾 2 细观能量演化规律 对于岩石的变形和破坏,从能量角度分析可知: 外力对岩石做功产生不可恢复的塑性变形,在岩石 ·867·