用基于颗粒的有限元-离散元法研究脆性岩石中裂纹的萌生和扩展机制

本文采用基于颗粒的有限元-离散元法( GB-FDEM )研究了花岗岩的破裂过程和影响裂纹起裂、扩展和贯通的因素。与常规方法相比，本文采用的GB - FDEM由颗粒破碎的双尺度接触模型和岩石真实微观非均质性的预处理方案组成。通过对不确定参数的分析，提出了一种标准化的校准流程。根据室内单轴压缩试验、侧限压缩试验和巴西圆盘试验等基准试验的标定结果，建立优化模型并开展了不同端部摩擦、长细比、加载速率和围压条件下的压缩试验，研究了外界因素对岩石破裂的影响。其中边界约束与宏观破坏模式相关联，剪切滑移会导致端部轻微扩展，对远场应力分布的影响有限；端部摩擦效应对裂纹应力的影响与单轴抗压强度一致；长细比会影响应力分布，进而改变岩石的破裂模式；高宽比的变化对初始应力水平和裂纹损伤影响较小；加载速率显著提高岩石强度基于两个潜在机制：即微裂纹总数的增加和从沿颗粒断裂向穿颗粒断裂的转变，因为归一化的裂纹萌生和裂纹损伤应力对应变率的响应是相反的使得这些因素对裂纹萌生和裂纹损伤应力的影响是不同的。结果表明，不同微裂纹所占比例表征了围压增加时微破裂的变化，裂纹萌生的增强和裂纹贯通模式的改变被归结为约束效应的机理。