岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (S1): 542-552.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1028

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离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性 影响的颗粒流分析

胡训健1, 2,卞康1, 2,刘建1, 2,谢正勇3,陈明1, 2,李冰洋1, 2,岑越1, 2   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 中国科学院大学,北京 100049; 3. 湖北省路桥集团天夏建设有限公司,湖北 武汉 430058
  • 收稿日期:2020-07-18 修回日期:2021-03-04 出版日期:2022-06-30 发布日期:2022-07-15
  • 通讯作者: 卞康,男,1982年生,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事岩土工程地质灾害机制与评价、水?岩相互作用效应等方面的研究工作。E-mail: biankang2002@163.com E-mail: huxunjian18@mails.ucas.ac.cn
  • 作者简介:胡训健,男,1995年生,硕士研究生,主要从事岩石破裂的数值模拟方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(No.2016YFC0401802);国家自然科学基金重点项目(No.51539002);国家自然科学基金项目(No.51779249);湖北省自然科学基金(No.E0312502)

Particle flow code analysis of the effect of discrete fracture network on rock mechanical properties and acoustic emission characteristics

HU Xun-jian1, 2, BIAN Kang1, 2, LIU Jian1, 2, XIE Zheng-yong3, CHEN Ming1, 2, LI Bing-yang1, 2, CEN Yue1, 2   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Hubei Road and Bridge Group Tianxia Construction Co. Ltd., Wuhan, Hubei 430058, China
  • Received:2020-07-18 Revised:2021-03-04 Online:2022-06-30 Published:2022-07-15
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key R&D Program of China(2016YFC0401802), the State Key Program of National Natural Science of China(51539002), the National Natural Science Foundation of China(51779249) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (E0312502).

摘要: 基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下:(1)裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。(2)单轴压缩下岩石破坏时均是晶间−拉裂纹和晶内−拉裂纹为主。(3)离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。(4)离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。

关键词: 离散裂隙网络, 等效晶质模型, 声发射, 花岗岩, 颗粒流模拟

Abstract: Based on the particle flow code platform, using image processing technology and Monte Carlo method, a discrete fracture network is generated. Combined with the grain-based model, the numerical modeling of the granite mesostructure is carried out. Then from a micro perspective, the effect of the discrete fracture network on rock strength and deformation properties and acoustic emission characteristics is described. The main conclusions are as follows: (1) The average length and density of the fractures affect the mechanical properties of the rock. The uniaxial compressive strength and elastic modulus of the rock decrease with the increase of the fracture density. (2) Rock failure under uniaxial compression is dominated by intergranular tensile cracks and intragranular tensile cracks. (3) The discrete fracture network is closely related to the acoustic emission events of the rock. With the increase of fracture density, the b value of acoustic emission and the D value of fractal dimension both show a downward trend. The sharp drop of b and D indicate that the rock instability failure. (4) The discrete fracture network has a certain influence on the magnitude of acoustic emission events. Acoustic emission events with high rupture intensity are prone to occur near discrete fracture networks. In summary, conclusions based on the mesoscopic rock fracture mechanism and acoustic emission phenomena obtained from the joint modeling of discrete fracture networks and grain-based models can effectively make up for the shortcomings of existing research methods in laboratory experiments and provide strong support for the stability evaluation and engineering construction of rock mass with more complex fracture network in the field.

Key words: discrete fracture network, grain-based model, acoustic emission, granite, particle flow code simulation

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