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黄 锋1，2,李天勇1，2,高啸也1，2,杨 翔3,林 志1，2
(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074; 2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074; 3.重庆建工市政交通工程有限责任公司，重庆 400021)
摘 要:在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏，多表现为岩爆、板裂、塌方等形式，通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质，而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验，则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景，综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法，从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析，全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明：① 数值模拟与室内试验所得的结果，无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近；随着围压的增大，岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变；随着试件长径比L/D增大，岩石峰值强度减小、弹性模量增大。② 采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法，能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制；随着试件长径比L/D增大，岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏；当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大，当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③ 随着岩石试件长径比L/D的增大，其峰值强度有所减小且受围压影响明显，弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④ 通过分析裂隙数量与应变关系可知，在不同围压条件下，岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现“S”型曲线增长，当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长，且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤ 随着试件长径比L/D的增大，岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少，且减小速度增快。总的来说，岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响，因此，室内试验中应合理设计岩石试样的形状，以获取准确的岩石强度和力学参数。
关键词:岩石力学;破裂机制;形状效应;室内试验
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黄锋,李天勇,高啸也,等.不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究[J].煤炭学报,2019,44(3):923-932.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0070
HUANG Feng,LI Tianyong,GAO Xiaoye,et al.Study on the macro-micro failure mechanism of granite and its geometry effect under the different conditions of confining pressure by discrete element[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):923-932.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0070
中图分类号:TD324
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0923-10
收稿日期:2018
0113
修回日期:20180912
责任编辑:常明然
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51308574);重庆市社会民生科技创新专项资助项目(cstc2016shmszx30009);重庆高校创新团队建设计划资助项目(CXTDX201601024)
作者简介:黄 锋(1982—)，男，重庆渝北人，副教授，博士。E-mail:huangfeng216@126.com
HUANG Feng1，2,LI Tianyong1，2,GAO Xiaoye1，2,YANG Xiang3,LIN Zhi1，2
(1.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 3.Chongqing Construction Engineering Municipal Traffic Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400021,China)
Abstract:When the tunnel is excavated in the granite stratum,the surrounding rock will deform and fail,and the failure modes of the surrounding rock are mostly rockburst,slab cracking,landslide,etc.The macroscopic mechanical parameters of the granite and the progressive failure model can be obtained by indoor uniaxial and triaxial compression tests.The indoor compression test can analyze the failure nature of granite on macroscopic scale,while the failure process of granite under uniaxial and triaxial compression on microscopic scale can be simulated by PFC2D soft codes.By taking the Nanwan tunnel engineering along the Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge connecting line as the study background,the macro-microscopic mechanical parameters,fracture mechanism and their shape effect of granite sample were analyzed by employing both of laboratory test and numerical simulation of discrete element.Research results show that: ① The results of numerical simulation are similar as the results form laboratory test in not only the macro scale mechanical parameters but also the final failure pattern.With the increase of confining pressure,the peak strength of rock increases accordingly,while the elastic modulus varies little.With the increase of specimen ratio between length and diameter L/D,the peak strength of rock decreases accordingly,while the elastic modulus increases.② The statistical method based on the comparative strain and crack number per some area is more effective to analysis the micro scale progressive failure mechanism with the increasing of specimen ratio between length and diameter L/D,the final failure pattern changes from shear to tensile progressively.The final crack number per some area will be largest when the L/D is equal to 1.0.The percent of shear cracks will be largest when L/D is equal to 2.0.③ With the increase of the aspect ratio of rock specimens L/D,the peak strength decreased and the influence of confining pressure was obvious.The elastic modulus also increased obviously but the relationship was not significant with confining pressure.④ By statistically comparing the relationship between the number of fractures and the strain,the number of cracks inside the rock increases with the increase of axial deformation like the “S” curve under different confining pressure conditions.When the axial deformation is close to the peak strain,the crack grows abruptly,and the number of final cracks tends to converge only when the confining pressure is small.⑤ With the increase of the length-to-diameter ratio of the specimen L/D,the number of cracks per unit area decreases gradually when the rock fractures,and the speed of decreasing will increase.In general,the shape change of rock sample has significant influence on the whole peak strength and elastic modulus of granite.Therefore,the shape of the granite sample should be rationally designed in order to get the real parameters and strengths of rock during indoor test.
Key words:rock mechanics;fracture mechanism;geometry effect;laboratory test
花岗岩是岩浆在地表以下凝结形成的火成岩，通常具有强度高、硬度大和脆性强等特征。因此，当在深埋、高应力花岗岩地层中进行地下洞室开挖时，经常发生岩爆、层裂、板裂等形式的围岩失稳现象，严重影响施工进度，威胁施工安全[1-2]。隧道围岩失稳问题本质上是岩石在二次应力场作用下由细观损伤发展至宏观破裂的渐进过程。宏观层面上，花岗岩由于受风化程度不同，力学性质离散性大(且地域特征明显);微观层面上，花岗岩内部存在较多初始微裂纹，不同形状条件下裂纹扩展、聚合规律差异较大，进而导致力学参数和微观破裂机制具有显著的形状效应[3]。因此，为了准确分析隧道围岩稳定性，有必要结合具体工程，开展不同加载及不同形状条件下花岗岩的宏-细观力学参数及其破坏特征研究[4]。
目前，该类问题的主要研究方法集中在室内试验和数值模拟2个方面。室内岩石力学试验是研究岩石变形破坏机理最为重要的手段之一，不同学者针对不同问题进行了大量研究。周辉等[4]通过三轴压缩试验和破裂面电镜扫描测试，研究了不同围压下花岗岩脆性破坏特征与力学机制;李新平等[5]通过对隧道施工现场采集大理岩进行常规三轴试验，发现大理岩的强度变形及破坏机制受围压影响比较明显;杨圣奇等[6]通过对同直径不同长度的大理岩试样进行单轴压缩试验，研究了尺寸对岩石强度和变形特性以及破坏形式的影响规律;黄彦华等[7]运用变频动态加载岩石力学试验系统对相同直径、不同长度的花岗岩试样进行中低应变率范围内的加载试验，研究了尺寸对花岗岩强度、峰值应变、弹性模量的影响。总的来说，岩石试验研究主要是以岩石宏观变形破坏特性为主，对于岩石内部的微观破裂机制研究却十分困难。而以PFC为代表的离散元数值模拟方法，可以较好的模拟岩石由微观到宏观的破裂过程，加上研究成本低、周期短等特点，在相关领域已经得到了广泛关注。刘洪磊等[8]采用PFC2D模拟试验，探讨了单轴压缩下的荷载大小和声发射累积次数的变化关系;李晓锋等[9]通过PFC软件从细观角度研究了节理岩石的裂隙扩展、能量转化等特性;BAHRANI N等[10]运用PFC软件研究了岩石在约束条件下强度特性及失效过程，并采用标定的方法获得了颗粒状岩石的微观性质;伊小涛等[11]通过离散元软件模拟不同长径比岩石的单轴和三轴压缩试验，分析了长径比和围压对岩石试样破坏过程、破坏形态、应力-应变曲线和破坏过程中能量转移的影响;靖洪文等[12]以室内试验结果为根据，借助PFC软件探究了损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应;SCHOLT
S L等[13]运用离散元软件对真实的三轴试验进行了仿真模拟，并研究了尺寸效应对煤强度的影响。
因此，采用岩石力学试验和数值模拟方法相结合的方法，可以发挥各自的优势，研究结果更加可靠，对研究岩石宏-细变形破坏机制是一个合理的选择[14]。以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景，通过现场钻芯取样进行不同围压条件下的室内岩石力学试验，以获得花岗岩的宏观力学参数及破裂机制;在此基础上，建立离散元分析模型，通过与室内试验结果的对比分析，探讨微观层面上花岗岩的变形破裂机制;最后，通过改变数值模型中岩石试样的长径比，研究花岗岩力学参数与破坏特征的形状效应问题。
港珠澳大桥连接线工程的南湾隧道，位于珠海市保税区，经银坑水库以西穿越将军山。隧道左线长3 644 m，右线长3 648 m，隧道最大埋深约130 m。选取隧道左线里程ZK7+750～ZK7+790区段为研究对象，隧道与断层破碎带相交，地质纵断面如图1所示。该隧道区域内主要为岩浆侵入体岩基构造分布区，主要岩石地层为燕山二、三期侵入的花岗岩、闪长岩类岩石，岩石类型主要为二期以石英闪长岩为代表;三期以花岗岩、黑云母斑状花岗岩和二长花岗岩。室内试验采用的花岗岩试样，取自区段内3个不同里程位置的附近，获得的部分试样如图2所示。然后，在室内进行端面切割、磨平，试件最终尺寸为直径D=50 mm，长度L=100 mm(长径比L/D=2.0)。
图1 南湾隧道纵断面示意
Fig.1 Profile diagram of Nanwan tunnel
图2 部分岩石试样
Fig.2 Some of rock specimens
室内岩石力学试验，采用的是中国科学院研制的RMT-150C岩石三轴压缩试验仪，如图3所示。该试验系统轴向压力传感器量程为2 000 kN，轴向位移传感器量程为200 mm。结合实际工程中隧道开挖后的二次应力场量级，试验中采用的围压等级分别为0(无围压)，2.5(低围压)，7.5(中围压)和15 MPa(高围压)4种情况。单轴压缩试验中(无围压)，以0.005 mm/s施加轴向位移至试件破坏;三轴压缩试验中，先以0.05 MPa/s的速度同时施加侧向压力和轴向压力至设定围压值，然后保持围压不变，再以0.005 mm/s的速度施加轴向荷载直至试件完全破坏[15]。
图3 岩石三轴试验设备
Fig.3 Triaxial test equipment for rock
(1)岩石宏-细观破裂机制。
离散元数值模拟，采用商业软件PFC2D进行。为了与室内试验进行比较分析，模拟花岗岩试件的尺寸设置为:直径D=50 mm，长度L=100 mm，如图4所示。模型内部初始孔隙率设置为0.1，粒径大小为0.40～0.66 mm，模型中产生颗粒总量为4 844。在离散元数值模型中，模拟试件的加载是通过对模型顶部的刚性墙体施加位移而实现的。经过模拟试算，选取墙体的加载速度为1.5×10-9 m/step。数值模拟试验与室内试验条件相同，采用1组单轴加载试验及3组不同围压的三轴加载试验。围压通过伺服方法控制侧面刚性墙体的运动达到设置要求。
图4 岩石三轴加载试验的离散元模型
Fig.4 Discrete element model for triaxial loading test of rock
(2)岩石变形破坏的形状效应。
一般来说，对于直径相同、长度不同的岩石试样，其变形和强度特性具有显著差异的现象，称之为岩石的形状效应[16]。对不同形状的岩石试样，建立相应的数值模型，模拟单轴及不同围压条件下的三轴试验，研究不同围压条件下形状对岩石物理力学参数、变形及破坏模式的影响。模拟花岗岩试件，如图5所
示，试件直径D保持50 mm不变，通过变化试件长度L，分别考虑了长径比L/D为0.6，1.0，2.0和3.0的4种情况。该模拟试验的边界条件及加载速率等因素与上文相同。不同形状试件的数值模拟试验，采用与室内岩石力学试验一样的围压等级进行。
图5 不同长径比的花岗岩数值模型
Fig.5 Granite numerical models with different ratio between length and diameter
目前，离散元模型所采用的细观参数与室内试验所得的岩体宏观力学参数之间尚未建立明确的量化关系。因此，为获得合理的细观参数，常需要选用不同的细观参数进行模拟试算，将试算所得模拟结果与室内试验结果进行对比分析，直到模拟结果的宏观力学参数及破坏形态与室内试验结果相似，则可认为试算所用的细观参数是合理的[17-18]。
通过调整细观参数，再进行反复试算，在对其中某一组细观参数进行计算时，得到了不同围压下离散元数值计算结果与室内试验所得的具体宏观力学参数较为接近，见表1。单轴压缩作用下峰值强度误差为24.1%，峰值应变误差为13.5%，弹性模量误差为16.6%;三轴压缩作用下峰值强度最大误差为8.6%，峰值应变最大误差为21%，弹性模量最大误差为13.8%。因此，认为用此岩石细观参数计算是合理的，具体参数见表2。
表1 数值模拟与室内试验的结果对比分析
Table 1 Comparison of results between numerical simulations and laboratory tests
表2 数值模型采用的细观力学参数
Table 2 Micro mechanical parameters employed for the numerical model
采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟，分别获得了不同围压条件下，花岗岩试件的偏应力与轴向应变的变化曲线，如图6所示。总体上，数值模拟与室内试验所得的应力-应变曲线比较相似，包括峰值强度与应变都基本一致，表明采用离散元软件作为岩石变形破坏机理的分析手段是可靠的。同时，也可以注意到，在围压为0，2.5及7.5 MPa的情况下，室内试验均有明显的初始压密阶段，而模拟的结果却并没有该阶段。这是由于离散元模型是由颗粒组成，虽然具有明显的非均匀性，但是难以反应出真实的微裂纹，因此并未出现初期压密变形阶段。
图6 不同围压条件下岩石应力-应变曲线对比
Fig.6 Comparison of rock stress-strain curves under different confining pressure
不同围压条件下，室内试验和离散元数值模拟得到的岩石峰值强度对比，如图7所示。可以看出，岩石试件随围压的增加，其峰值强度显著增加;当围压从0 MPa升至2.5 MPa，其峰值强度增幅较大，之后峰值强度的增幅相对平缓趋于收敛，可见围压对于试件的峰值强度影响较大，且模拟试验结果与室内试验结果比较接近，反应出了相同的规律[19]。
不同围压条件下，室内试验和数值模拟得到的岩石峰值应变对比，如图8所示。可以看出，岩石试件随着围压的增加，其峰值应变随之增加，当围压从0 MPa增加到2.5 MPa时，峰值应变增加的幅度最大，之后随着围压增大，峰值应变逐渐趋于平缓，这与围压对峰值强度的影响规律相似。
图7 不同围压条件下岩石峰值强度对比
Fig.7 Result comparison of rock peak strength under different confining pressure
图8 不同围压条件下的峰值应变对比
Fig.8 Result comparison of rock peak strain under different confining pressure
不同围压条件下，将室内试验和数值模拟得到的岩石弹性模量对比分析，如图9所示。可以看出，室内试验中围压作用下花岗岩试件内部微裂纹逐渐被压密，从而增大了岩石的密实度，花岗岩弹性模量随围压的增大而增加;然而，离散元模型中虽然也具有明显的不均匀性且存在缺陷，但是内部并不存在微裂纹，围压并未使岩石的密实度增大，因而弹性模量随围岩变化并不明显。
图9 不同围压条件下岩石弹性模量对比
Fig.9 Result comparison of rock elastic modulus under different confining pressure
裂纹扩展分析时，使用PFC程序自带的Plot窗口，并编辑监控代码命令当岩石达到某一应变增量时输出对应状态的裂纹分布图，即可显示裂纹的生成过程，同时统计相应的裂纹数量。不同围压条件下，岩石试样内裂纹数量随轴向应变的变化曲线，如图10所示。可以看出，岩石裂纹数量随着轴向应变的增加呈现出“S”型非线性增长，且在岩石到达峰值强度前后增长迅速。在围压等级为15 MPa作用下，不同应变状态时刻岩石内部典型的裂纹分布(蓝色为拉伸裂纹，红色为剪切裂纹)，如图11所示。总的来说，随着围压的增大，对于岩石内部的拉伸裂纹而言，由于受到水平方向的限制(需要克服围压产生的正应力)而变得更加难以破坏，导致岩石最终破坏时需要更大的轴向应力;对于岩石内部的剪切裂纹而言，由于受到围压与轴向应力共同提供正应力，其裂纹摩擦力大于了试样的黏聚力抑制了裂纹的滑移，轴向应力在屈服过程中持续增加[20]。因此，随着岩石试样围压的增大，岩石峰值强度随之增大，最终形成宏观破裂时其内部屈服区域增多，破坏时所需的能量也越大(轴向应力、应变得更大)，这导致岩石破碎程度更高、裂纹数量也越多。
图10 岩石裂纹数量随轴向应变的变化曲线
Fig.10 Various curves between crack number and axial strain of rock
图11 围压15 MPa条件下不同应变时岩石裂纹分布
Fig.11 Rock cracks distribution with the different strain under the confining pressure of 15 MPa
将图10中的轴向应变采取相对变形值进行处理(即分别除以各自的峰值应变:岩石达到峰值强度时所对应的应变值，定义为εp)，可以获得岩石裂纹数量随峰值应变的变化曲线，如图12所示。曲线大致可分为以下几个阶段:① 不同围压条件下的岩石几乎都是在0.6εp左右时开始出现很少的裂纹，且当轴向应变ε<0.9εp左右时，试件处于线弹性阶段，岩石内部仅有少量裂纹且增长缓慢，且与围压关系不明显;② 当轴向应变ε处于εp附近时(0.9εp<ε<1.1εp)，岩石内部裂纹迅速增长，显示出较明显的脆性特征(应力迅速下降，如图6所示);③ 当1.1εp<ε<1.3εp时，裂纹稳定扩展，试件相继进入残余变形阶段，围压较小的试件裂纹趋于稳定，而围压较大的试件裂纹持续增加呈近似线性;④ 当1.3εp<ε时，不同围压下的岩石均已形成显著的宏观破裂面，除单轴压缩以外，其余围压条件下岩石裂纹持续增长且不收敛。
图12 岩石裂纹数量随峰值轴向应变的变化曲线
Fig.12 Various curves between rock crack number and axial peak strain
不同围压条件下，室内试验和数值模拟获得的花岗岩试样最终破坏形态对比分析(取轴向变形为1.3εp时对应的裂纹分布)，如图13所示。可以看出，不同围压条件下，室内试验所得的花岗岩试件破坏模式与数值模拟的计算结果，是基本一致的;当围压较小的情况(0和2.5 MPa)，岩石主要表现为沿轴向的劈裂破坏，而当围压较大时(7.5和15 MPa)逐渐转化为斜向的剪切破坏。
通过离散元数值模拟，得到不同围压条件下的岩石应力-应变过程，由于其变化规律类似，这里仅给出围压为15 MPa时不同长径比岩石偏应力与轴向应变的变化曲线，如图14所示。可以看出，岩石受压过程中均未表现出岩石初期压密阶段，与上节所得结果相同;长径比越大岩石峰值强度越低，且岩石应力峰值和破坏时刻对应的轴向应变也越小，即岩石脆性越显著。
不同围压下，岩石峰值强度随试样长径比的变化，如图15所示。由图可知:在不同围压条件下的花岗岩试件随试件的长径比L/D增大，峰值强度呈现整体下降的趋势;围压越小时，岩石峰值强度降低幅度受长径比的影响越小(曲线斜率越小)，反之围压越高，则影响越大(曲线斜率越大)。
图13 岩石试件及离散元模型的破坏形态对比
Fig.13 Comparison of failure pattern between rock specimens and discrete element model
图14 围压15 MPa情况下岩石应力-应变曲线
Fig.14 Stress-strain curves of rock under the confining pressure of 15 MPa
图15 不同围压条件下岩石峰值强度随长径比的变化曲线
Fig.15 Curves of peak strength variation with the ratio between length and diameter of rock under different confining pressure
不同围压条件下，数值模拟获得岩石弹性模量随长径比的变化曲线，如图16所示。可以看出，随试件长径比L/D增大，岩石弹性模量呈现线性增大的趋势，但与围压之间的关系不明显。这可能与离散元模型内部的不均匀性有关，随着试件的增大，试件的内部缺陷增多，由此导致了试件的强度减弱;随着试件长径比的增加，试件脆性增强，因而弹性模量增大。
图16 不同围压条件下岩石弹性模量随长径比的变化曲线
Fig.16 Curves of elastic modulus variation with the ratio L/D of rock under different confining pressure
单轴压缩条件下(围压为0 MPa)，岩石试样裂纹数量随轴向应变的变化曲线，如图17所示(由4.2节的分析可知，在低围压条件下最终岩石裂纹数量趋于稳定，故这里仅选取0 MPa的情况进行分析)。可以看出，随着试件长径比的增加，岩石裂纹初始化、突变时刻对应的轴向应变值越小，而最终裂纹总数越大。
图17 围压0 MPa时不同长径比条件下岩石裂纹数量-应变关系曲线
Fig.17 Curves between crack number and strain of rock for different L/D ratios under the confining pressure of 0 MPa
将图17中横坐标(轴向应变)除以各自的峰值应变εp，纵坐标(裂纹数量)除以25 cm2(L/D=1试样的纵断面面积)，可以得到单位面积内裂纹随峰值轴向应变的曲线，如图18所示。可以看出:① 随着岩石长径比L/D增大，裂纹开始出现、突变增长以及稳定性收敛时所对应的相对轴向应变都更大;② 长径比L/D<1.0时，最终单位面积裂纹数量随着长径比的变化不明显，当长径比L/D=1.0时，其最终单位面积裂纹数量最大，当长径比L/D>1.0时，最终单位面积裂纹数量随着长径比增加而显著减小。
图18 岩石单位面积裂纹数量随峰值轴向应变的变化曲线
Fig.18 Various curves between rock crack number per unit area and axial peak strain
当岩石轴向变形为1.2εp时刻，不同长径比试件内部的拉伸裂纹和剪切裂纹占总裂纹的比例，如图19所示。可以看出，当长径比L/D=1.0时，拉伸裂纹所占比例最大，且围压越大越显著，表明这种长径比的岩石试验更加适合高地应力条件下的隧道围岩受拉破坏机理研究;而当长径比L/D=2.0时，剪切裂纹所占比例最大，且围压越小越显著，表明这种长径比的岩石试验结果更加适合低地应力条件下的隧道围岩受剪破坏机理研究。
图19 不同形状岩石试件内部不同裂纹类型所占比
例随长径比的变化
Fig.19 Portions of different crack type in rock samples changes with the ratio between length and diameter
图20 围压0 MPa下不同形状岩石的最终破坏形态
Fig.20 Final failure patterns of rock sample with different shape under the confining pressure of 0 MPa
图21 围压15 MPa下不同形状岩石的最终破坏形态
Fig.21 Final failure patterns of rock sample with different shape under the confining pressure of 15 MPa
围压为0和15 MPa条件下的岩石最终破坏形态，分别如图20和21所示。可以看出，① 当长径比L/D≤1.0时(L/D=0.6和1.0)，岩石破裂形态受围压的影响较小，裂纹主要沿竖向分布，岩石表现为以张拉破坏(轴向劈裂)为主。② 当L/D>1.0时，岩石破裂形态受围压的影响较为显著，对于长径比L/D=2.0的岩石，随着围压的增大试件由大面积的轴向裂纹逐渐转化为1条60°左右的主裂纹，破坏以剪切破坏为主;当长径比L/D=3.0时，当围压较大时试件的破坏面为上下2条60°左右的主破裂面，破坏以剪切破坏为主。总的来说，随着岩石试样长径比的增加，岩石最终破裂形态受围压的影响越显著，且破坏从以张拉破坏为主逐渐转变为以剪切破坏为主的破坏模式。
(1)数值模拟与室内试验所得的应力-应变曲线，总体上比较一致，但在低围压条件下，岩石变形初始阶段试验中发现了压密现象，而模拟中难以再现这一现象。
(2)数值模拟与室内试验均表明，当围压发生变化时，岩石试件的力学参数将发生明显变化:随着围压增大，岩石峰值强度及其应变均显著增加，而弹性模量则变化不明显。
(3)数值模拟试验与室内试验所得的岩石最终破裂形态，总体上比较一致，且数值模拟表明:不同围压条件下，岩石内部裂纹数量随着轴向变形的增加呈现“S”型曲线增长，当轴向变形接近峰值应变时裂纹出现突变增长，且仅当围压较小时最终裂纹数量趋于收敛。
(4)随着岩石试件长径比的增大，其峰值强度有所减小且受围压影响明显，弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。
(5)当岩石长径比L/D<1.0时，单位面积内的最终裂纹数量随着长径比的变化不明显;当岩石长径比L/D=1.0时，其单位面积内最终裂纹数量最大，且拉伸裂纹所占比例最大;当长径比L/D>1.0时，单位面积裂纹数量随着长径比增加而显著减小;当长径比L/D=2.0时，剪切裂纹所占比例最大。
(6)当长径比L/D≤1.0时岩石破裂形态受围压的影响较小，当L/D>1.0时受围压的影响较明显;总体上，随着岩石试样长径比的增加，岩石最终破裂形态逐渐从以张拉破坏转变为剪切破坏模式。
参考文献
[1] 刘 杰，李建林，张玉灯，等.循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S2):3505-3513.
LIU Jie，LI Jianlin，ZHANG Yudeng，et al.Analysis of energy characteristics and deformation parameters of rock mass under cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):3505-3513.
[2] 许金余，吕晓聪，张军，等.围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S2):4159-4165.
XU Jinyu，LÜ Xiaocong，ZHANG Jun，et al.Research on energy properties of rock cyclical impact damage under confining pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):4159-4165.
[3] TANG C A,THAM L G,LEE PKK,et al.Numerical studies of the influence of microstructure on rock failure in uniaxial compression-Part II:Constraint,slenderness and size effect[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2000,37(4):571-583.
[4] 周辉，孟凡震，刘海涛，等.花岗岩脆性破坏特征与机制试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(9):1822-1827.
ZHOU Hui，MENG Fanzhen，LIU Haitao，et al.Experimental study on characteristics and mechanism of brittle failure granite[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(9):1822-1827.
[5] 李新平，肖桃李，汪斌，等.锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(5):882-889.
LI Xinping，XIAO Taoli，WANG Bin，et al.Experimental study of JINGPING Ⅱ hydropower station marble under loading and unloading stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012,31(5):882-889.
[6] 杨圣奇，苏承东，徐卫亚.岩石材料尺寸效应的试验和理论研究[J].工程力学，2005，22(4):112-118.
YANG Shengqi，SU Chengdong，XU Weiya.Experimental and theoretical study of size effect of rock material[J].Engineering Mechanics，2005，22(4):112-118.
[7] 黄彦华，梁昌玉，李晓，等.中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32(3):528-536.
HUANG Yanhua，LIANG Changyu，LI Xiao,et al.Research on size effect of uniaxial compression properties of granite under medium and low strain rates[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(3):528-536.
[8] 刘洪磊，王培涛，杨天鸿，等.基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性[J].煤炭学报，2015，40(8):1790-1795.
LIU Honglei，WANG Peitao，YANG Tianhong,et al.Mechanical characteristics of granite under uniaxial compressive and AE monitoring test using particle flow code[J].Journal of China Coal Society，2015，40(8):1790-1795.
[9] 李晓锋，李海波，夏祥，等.类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究[J].岩土力学，2016，37(2):583-591.
LI Xiaofeng，LI Haibo，XIA Xiang，et al.Numerical simulation of mechanical characteristics of jointed rock in direct shear test[J].Rock and Soil Mechanic，2016，37(2):583-591.
[10] BAHRANI N,VALLEY B,KAISER P K,et al.Evaluation of PFC Grain-Based Model for simulation of confinement-dependent rock strength degradation and failure processes[C].Us Rock Mechanics/Geomechanics Symposium[A],2011:49-60.
[11] 尹小涛，葛修润，李春光，等.基于数值实验的岩石试样最佳长径比研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S2):3608-3615.
YIN Xiaotao，GE Xiurun，LI Chunguang，et al.Study of optimal length-diameter ratio of rock specimen based on numerical tests[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):3608-3615.
[12] 靖洪文，苏海健，杨大林，等.损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3):543-549.
JING Hongwen,SU Haijian，YANG Dalin，et al.Study of strength degradation law of damaged rock sample and its size effect[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(3):543-549.
[13] SCHOLTES L,DONZE F V,KHANAL M.Scale effects on strength of geomaterials,case study:Coal[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids,2011,59(5):1131-1146.
[14] 刘顺桂，刘海宁，王思敬，等.断续节理直剪试验与PFC数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27(9):1828-1836.
LIU Shungui，LIU Haining，WANG Sijing，et al.Direct shear tests and PFC numerical simulation of intermittent joints[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(9):1828-1836.
[15] GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准[S].2013.
[16] 潘鹏志，周辉，冯夏庭.加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破裂过程的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2008,27(S2):3636-3642.
PAN Pengzhi，ZHOU Hui，FENG Xiating.Research on effect of loading conditions on failure processes of rocks with different sizes under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S2):3636-3642.
[17] 丛宇，王在泉，郑颖人，等.基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究[J].岩土工程学报，2015，37(6):1031-1040.
CONG Yu，WANG Zaiquan，ZHENG Yingren，et al.Experimental study on microscopic parameters of brittle materials based on particle flow theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，37(6):1031-1040.
[18] YOON J.Application of experimental design and optimization to PFC model calibration in uniaxial compression simulation[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2007，44(6):871-889.
[19] 胡涛.某水电站大理岩岩石强度试验研究[J].长春工程学院学报，2012，13(2):81-83.
HU Tao.Experimental research on marble rock strength of a hydropower station[J].Journal of Changchun University of Engineering，2012，13(2):81-83.
[20] 许金余，吕晓聪，张军，等.围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010,29(S2):4159-4165.
XU Jinyu，LÜ Xiaocong，ZHANG Jun,et al.Research on energy properties of rock cyclical impact damage under confining pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010,29(S2):4159-4165.