本文介绍了一项关于花岗岩微观断裂行为的三维颗粒基模型（3D-GBM）研究，由武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室的Junsong Quan、Guan Rong、Lida Xu和Zhiheng Chen共同完成，并于2023年4月4日发表在《Computers and Geotechnics》期刊上。该研究旨在解决传统二维颗粒基模型（2D-GBM）在模拟花岗岩微观力学特性时的不足，提出了一种新的三维颗粒基模型构建方法，并通过实验和数值模拟分析了花岗岩的断裂模式和微观断裂机制。

研究背景与动机

岩石的强度和变形特性是岩石工程设计中的重要考虑因素，尤其是在深部隧道、地热开采和核废料储存等工程中。岩石的宏观力学特性与其微观裂纹的分布和扩展过程密切相关。然而，实验室测试存在重复性差、无法实时观察微观裂纹扩展过程等局限性，因此数值模拟成为研究岩石微观断裂机制的重要手段。传统的颗粒基模型（GBM）在模拟岩石微观力学行为时存在一些问题，如矿物成分和颗粒尺寸分布与实际岩石不匹配、无法准确模拟三维颗粒结构等。因此，本研究提出了一种新的三维颗粒基模型构建方法，旨在更准确地模拟岩石的矿物成分和颗粒尺寸分布，并分析其对岩石宏观力学特性的影响。

研究方法与流程

本研究采用粒子流代码（Particle Flow Code, PFC）构建三维颗粒基模型，并通过实验数据校准模型参数，包括弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、Hoek-Brown强度准则和断裂特性。具体建模流程包括以下几个步骤： 1. 生成颗粒：在圆柱形空间内随机生成四组颗粒，分别代表石英、钾长石、斜长石和黑云母四种矿物，确保矿物成分和颗粒尺寸分布与实验室测试结果一致。 2. 生成刚性块体：通过Voronoi镶嵌法将颗粒转化为刚性块体，并移除颗粒。Voronoi镶嵌法分为普通Voronoi镶嵌（OVT）和径向Voronoi镶嵌（RVT），后者生成的块体尺寸更接近颗粒的半径。 3. 导出颗粒几何形状：从刚性块体中导出颗粒的几何形状，为后续颗粒分组提供条件。 4. 生成和分组颗粒：在颗粒几何形状内生成更小的颗粒，并根据颗粒的位置进行分组，以模拟颗粒的变形和断裂。

模型校准与实验验证

本研究提出了一种新的颗粒基模型参数校准方法，通过不断调整模型的微观参数，使模拟结果与实验室测试结果相匹配。校准过程包括调整弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度等参数，并通过巴西劈裂试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验验证模型的准确性。实验结果表明，模拟结果与实验室测试结果的误差在8%以内，验证了模型的有效性。

主要结果与分析

1. 巴西劈裂试验：模拟结果显示，试样在巴西劈裂试验中的破坏主要由拉伸微裂纹引起，裂纹沿加载方向扩展。石英中的微裂纹数量最多，表明石英的破坏程度最高。
2. 单轴压缩试验：模拟结果显示，试样在单轴压缩试验中的破坏主要由拉伸微裂纹引起，裂纹沿加载方向扩展。石英中的微裂纹数量最多，表明石英的破坏程度最高。
3. 三轴压缩试验：随着围压的增加，试样的破坏机制从拉伸破坏转变为剪切破坏。高围压促进了颗粒的破碎，剪切微裂纹的数量显著增加。

结论与意义

本研究提出了一种新的三维颗粒基模型构建方法，能够更准确地模拟岩石的矿物成分和颗粒尺寸分布，并通过实验和数值模拟验证了模型的有效性。研究结果表明，石英在单轴压缩试验中的破坏最为显著，而长石和黑云母则抑制了微裂纹的扩展。高围压促进了颗粒的破碎，剪切微裂纹的数量显著增加。该研究为定量分析矿物成分和颗粒尺寸分布对岩石宏观力学特性的影响提供了有效途径，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 新颖的三维颗粒基模型构建方法：通过Voronoi镶嵌法生成刚性块体，能够更准确地模拟岩石的矿物成分和颗粒尺寸分布。
2. 新的参数校准方法：提出了一种新的颗粒基模型参数校准方法，能够有效校准模型的微观参数，使模拟结果与实验室测试结果相匹配。
3. 微观断裂机制的分析：从矿物学的角度分析了花岗岩在加载过程中的微观断裂机制，验证了模型的合理性。

未来改进方向

尽管本研究提出的三维颗粒基模型在模拟岩石微观力学行为方面取得了显著进展，但仍存在一些局限性。例如，模型未考虑天然岩石中的预存缺陷和矿物颗粒的不规则形状，未来研究应考虑这些复杂结构，使模拟更接近实际情况。此外，还需要进一步研究矿物颗粒的微观力学特性，以更好地反映试样的微观力学行为。