單軸壓縮荷載下紅砂巖不同張開度　三維通透裂隙擴展機理研究*

張仕林，杜貽騰，李廷春，張國朋，劉啟順

(1.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院巖土工程處，山東 青島 266071；2.山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

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單軸壓縮荷載下紅砂巖不同張開度三維通透裂隙擴展機理研究*

張仕林1，2，杜貽騰2，李廷春2，張國朋2，劉啟順2

(1.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院巖土工程處，山東 青島 266071；2.山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

采用自制的模具在圓柱體紅砂巖標準試件上分別加工了不同張開度的通透裂隙，通過單軸壓縮試驗和數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)分析了不同張開度條件下巖石裂隙的擴展機理。試驗結(jié)果顯示，含裂隙試件的峰值強度、起裂強度以及彈性模量等力學參數(shù)隨裂隙張開度的增大均呈線性減小的趨勢，其中峰值強度的變化幅度較小，而起裂強度與彈性模量受裂隙張開度變化的影響較明顯；不同張開度裂隙的初始起裂均在裂尖位置以翼裂紋的形式展開，擴展至峰值狀態(tài)前后，受張開度的影響出現(xiàn)了明顯差異。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，加載過程中裂隙尖端拉應(yīng)力集中區(qū)域隨裂隙張開度的增大逐漸增大，但始終未到達試件邊界，而剪應(yīng)力集中的范圍比較穩(wěn)定基本不隨裂隙張開度的變化而改變。

單軸壓縮；通透裂隙；張開度；擴展規(guī)律；數(shù)值模擬

0　引　言

工程圍巖是由巖塊和大量結(jié)構(gòu)面組成的一種復雜介質(zhì)，當受到工程開挖的擾動后，其穩(wěn)定性大多是由其中的斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面決定的，研究巖體內(nèi)裂隙的起裂、擴展規(guī)律有助于解釋巖體工程的失穩(wěn)及破壞機理[1-3]。由于制作含有預制裂隙的真實巖石試件通常比較復雜，所以前人多數(shù)采用相似材料制作含裂隙類巖石試件，對裂隙巖體的物理力學特性及其破壞模式進行研究，并取得很多研究成果[4-7]。

國內(nèi)外學者開展了大量裂隙巖石力學特性方面的研究，李廷春，蒲成志等[8-10]分別研究單裂隙、雙裂隙以及多裂隙對巖石力學特性的影響，謝其泰等[11-13]針對裂隙長度、裂隙傾角等因素對裂隙擴展規(guī)律的影響進行了研究，然而，裂隙張開度同樣是影響裂隙擴展規(guī)律的一個重要因素，明華軍等[14]通過建立離散元模型對含不同張開度裂隙標準圓柱試件進行單軸壓縮數(shù)值模擬，分析了裂隙張開度對巖石材料破壞特性的影響；蒲成志等[15]引入相對張開度概念對含水平裂隙類巖石材料的斷裂破壞機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同相對水平張開度裂隙出現(xiàn)了2種破壞方式，當相對張開度較小時，裂隙尖端屈服破壞，當相對張開度較大時裂隙中部受拉破壞。

綜上所述，目前針對不同張開度巖石裂隙的擴展模式研究，主要采用數(shù)值模擬或者類巖石材料裂隙試驗等方法，由于巖石是一種非均質(zhì)、各向異性的復雜介質(zhì)體，利用相似材料制作的類巖石不一定與真實巖石的物理力學特性完全吻合，因此，在能夠方便精確地制作裂隙巖石試件的條件下，采用真實巖石裂隙試件可以更好地反應(yīng)巖石裂隙的擴展規(guī)律。文中采用自制的裂隙制作模具，快速精確地加工了分別含不同張開度三維通透裂隙的紅砂巖圓柱體標準試，進行單軸壓縮試驗，結(jié)合高清錄像、理論分析和數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)分析了不同張開度巖石三維單通透裂隙的擴展機理。

1　試驗概況

1.1巖樣分析

巖石采用臨沂沂蒙山區(qū)均質(zhì)性優(yōu)良的紅砂巖，該紅砂巖為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，粒徑相對均勻致密，呈塊狀構(gòu)造，外觀均勻一致。通過X射線衍射分析法檢測出巖石試樣的主要礦物成分，紅砂巖粘土礦物(蒙脫石)的含量為12.8%，因此其具有輕微的遇水膨脹和軟化性，屬于弱膨脹型巖石；非粘土礦物(石英、長石)的含量為87.2%，因此其具有較高的強度和脆性，其物理力學參數(shù)見表1.

表1　紅砂巖物理力學參數(shù)

1.2試件制作

以往裂隙巖石試驗多采用矩形板狀試件制作二維通透裂隙試件，為了研究張開度對含三維通透裂隙巖石材料破壞特性的影響，本次試驗采用自制的模具在圓柱體標準巖石試件上制作了不同張開度通透裂隙。通透裂隙的傾角統(tǒng)一制作成45°(該傾角為裂隙所在平面與圓柱體標準試件上下2端面的夾角)，長度統(tǒng)一制作成10 mm(該長度為圓柱體標準試件上裂隙的平面投影長度)，張開度制作成4種，分別為1.0，1.5，2.0，2.5 mm，具體見表2.

表2　單軸荷載下裂隙擴展試驗試件列表

1.3單軸壓縮試驗

試驗使用山東科技大學TAW-2000電液伺服巖石三軸儀完成，采用位移控制，加載速率為0.01 mm/min.在試驗過程中，為了記錄并且觀察裂隙的起裂位置、起裂角、擴展過程，采用2個高清攝像頭對裂隙兩側(cè)擴展的全程進行錄像，以便分析裂隙的起裂、擴展以及破壞的狀況，如圖1所示。攝像頭的動態(tài)像素為：HD1080(1920*1080)，顯示頻幀30幀/s.

圖1　通透裂隙擴展過程觀測裝置Fig.1　Observation device of the expanding period of fracture

2　試驗結(jié)果及分析

2.1強度特性分析

完整巖石試件與各張開度裂隙試件在單軸壓縮試驗中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，峰值強度、起裂強度以及彈性模量等力學參數(shù)見表3.

圖2　單軸壓縮下各試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curve of samples under uniaxial compression

裂隙張開度/mm峰值強度/MPa裂隙起裂強度/MPa彈性模量/GPa無84.8311.091.063.8958.349.751.562.7347.319.482.061.3040.119.142.560.4931.938.89

分析圖2和表3可以發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮荷載下，完整巖石試件和各張開度裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈S型，為塑彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試件在加載過程中變形連續(xù)且穩(wěn)定的，加載到峰值強度后，應(yīng)力瞬間跌落，試件失去承載能力，發(fā)生脆性破壞。裂隙的存在使試件的峰值強度、起裂強度以及彈性模量等出現(xiàn)不同程度的折減，這3種力學參數(shù)隨裂隙張開度的增大均呈線性減小的趨勢，其中峰值強度在不同裂隙張開度條件下變化幅度較小，而起裂強度與彈性模量受裂隙張開度變化的影響較明顯。

2.2裂隙擴展過程分析

將高清攝像頭記錄的各張開度裂隙試件擴展過程的錄像進行圖像提取，由于裂隙巖石試件的破壞屬于脆性破壞，裂隙起裂至破壞全過程時間持續(xù)較短，每隔0.5 s截取一張圖像，分別篩選出裂隙擴展過程中起裂狀態(tài)、擴展狀態(tài)、峰值狀態(tài)以及破壞狀態(tài)4個階段的代表性圖像，見表4.

表4不同張開度裂隙擴展過程

Tab.4Expanding period of different width fracture

由表4對不同張開度裂隙的擴展規(guī)律進行如下分析

1)不同張開度裂隙均以翼裂紋首先起裂，當預制裂隙張開度為1.0，1.5，2.0 mm時，翼裂紋起裂擴展后，反翼裂紋開始起裂且擴展速度較快，到達峰值狀態(tài)時已超過了翼裂紋的擴展程度，成為主要的擴展模式；

2)張開度2.5 mm裂隙在峰值前的加載過程中，始終以翼裂紋為主要擴展模式，而反翼裂紋的擴展用肉眼識別不出，加載至峰值狀態(tài)時，在翼裂紋的旁邊又衍生出一條新起裂的翼裂紋；

3)不同張開度通透裂隙翼裂紋與反翼裂紋的起裂和擴展方向基本沿最大主應(yīng)力方向；

4)含不同張開度裂隙試件加載至峰值以后均發(fā)生瞬間的脆性破壞，但破壞形態(tài)略有差異，張開度小于等于2.0 mm時，反翼裂紋擴展至試件兩端面導致試件的破壞，同時，衍生出了一些細微的裂紋；張開度為2.5 mm時，試件的破壞主要是由翼裂紋以及加載過程中出現(xiàn)的其他裂紋的擴展共同引起的。

3　裂隙擴展力學原理分析

通過對含裂隙試件的單軸壓縮數(shù)值模擬進一步探究不同張開度通透裂隙擴展的力學機制，利用ANSYS建立了4個尺寸與試驗所用巖石試件相同的模型，裂隙傾角為45°，平面投影長度10 mm，張開度分別為1.0，1.5，2.0，2.5 mm，模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。將上述建好的模型導入FLAC3d中進行單軸壓縮模擬，由于裂隙巖石是非均質(zhì)、各向異性、不連續(xù)的介質(zhì)材料，計算選用最通用的塑性本構(gòu)模型Mohr-columb模型，模擬試驗數(shù)據(jù)選用紅砂巖的力學參數(shù)(見表1)。

圖3　模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3　Meshing condition of the mode

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在模型y=0剖面(裂隙最中間剖面)提取加載過程中預制裂隙周邊的最大主應(yīng)力云圖(圖4)，最小主應(yīng)力云圖(圖5)，以及剪應(yīng)力云圖(圖6)，通過分析3種應(yīng)力云圖，探究試驗中裂隙擴展現(xiàn)象的力學原理。

圖4　不同張開度裂隙最大主應(yīng)力云圖Fig.4　Major principal stress of the fractures with different widths(a)1.0 mm張開度裂隙　(b)1.5 mm張開度裂隙　(c)2.0 mm張開度裂隙　(d)2.5 mm張開度裂隙

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，試件受到單軸壓縮荷載后，各張開度裂隙的上尖端上緣與下尖端下緣均有拉應(yīng)力集中出現(xiàn)，范圍隨著裂隙張開度的增大而增大，翼裂紋起裂時，裂尖處的最大拉應(yīng)力值大于紅砂巖抗拉強度。

分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，在單軸壓縮荷載作用下，各張開度裂隙的上尖端下緣與下尖端上緣同時出現(xiàn)了明顯的壓應(yīng)力集中，隨著裂隙張開度的增大，壓應(yīng)力集中區(qū)的范圍呈遞減趨勢。

分析圖6可知，拉剪應(yīng)力集中區(qū)與壓剪應(yīng)力集中區(qū)的位置大致沿預制裂隙所在平面對稱分布，分別對應(yīng)了圖4和圖5中拉應(yīng)力集中和壓應(yīng)力集中的位置，2種剪應(yīng)力集中的范圍比較穩(wěn)定，基本不隨裂隙張開度的變化而改變。

綜合3種主應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，裂隙張開度為1.0，1.5和2.0 mm時，拉應(yīng)力集中區(qū)和壓應(yīng)力集中區(qū)的范圍相差不大，對應(yīng)了試驗中這3種張開度裂隙以反翼裂紋擴展為主，翼裂紋擴展為輔的現(xiàn)象；而裂隙張開度為2.5 mm時，拉應(yīng)力集中區(qū)的范圍明顯大于壓應(yīng)力集中區(qū)，對應(yīng)了試驗中2.5 mm張開度裂隙的擴展模式以翼裂紋為主，肉眼無法辨別反翼裂紋的現(xiàn)象；由此可見，加載過程中預制裂隙尖端應(yīng)力場的集中導致了翼裂紋和反翼裂紋的起裂擴展。

圖5　不同張開度裂隙最小主應(yīng)力云圖Fig.5　Main principal stress of the fractures with different widths(a)1.0 mm張開度裂隙　(b)1.5 mm張開度裂隙　(c)2.0 mm張開度裂隙　(d)2.5 mm張開度裂隙

圖6　不同張開度裂隙剪應(yīng)力云圖Fig.6　Shear stress of the fractures with different widths(a)1.0 mm張開度裂隙　(b)1.5 mm張開度裂隙　(c)2.0 mm張開度裂隙　(d)2.5 mm張開度裂隙

4　結(jié)　論

1)裂隙的存在使試件的峰值強度、起裂強度以及彈性模量等出現(xiàn)不同程度的折減，這3種力學參數(shù)隨裂隙張開度的增大均呈線性減小的趨勢，其中峰值強度在不同裂隙張開度條件下變化幅度較小，而起裂強度與彈性模量受裂隙張開度變化的影響較明顯；

2)受單軸壓縮荷載的作用，各試件在預制裂隙的尖端部位均以翼裂紋首先起裂，張開度的大小對裂隙的初始起裂形式和起裂位置基本沒有影響；

3)不同張開度裂隙擴展至峰值狀態(tài)前出現(xiàn)了明顯差異，裂隙張開度小于2.5 mm時，翼裂紋擴展至一定程度后，預制裂隙尖端出現(xiàn)了相反方向擴展的反翼裂紋，且擴展程度逐漸超過翼裂紋，成為主要擴展模式，裂隙張開度為2.5 mm時，始終以翼裂紋擴展；

4)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，加載過程中裂隙尖端拉應(yīng)力集中區(qū)域隨裂隙張開度的增大逐漸增大，但始終未到達試件邊界，而剪應(yīng)力集中的范圍比較穩(wěn)定基本不隨裂隙張開度的變化而改變。

References

[1]Prudencio M，Van Sint Jan M.Strength and failure mo-des of rock mass models with non-persistent joints[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44(6)：890-902.

[2]Park C H，Bobet A.Crack coalescence in specimens with open and closed flaws：A comparison[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2009，46(5)：819-829.

[3]楊圣奇，戴永浩，韓立軍，等.斷續(xù)預制裂隙脆性大理巖變形破壞特性單軸壓縮試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(12)：2 391-2 404.

YANG Sheng-qi，DAI Yong-hao，HAN Li-jun，et al.Uniaxial compression experimental research on deformation and failure properties of brittle marble specimen with pre-existing fissures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(12)：2 391-2 404.

[4]張平，李寧，賀若蘭.含裂隙類巖石材料的局部化漸進破損模型研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25(10)：2 043-2 050.

ZHANG Ping，LI Ning，HE Ruo-lan.Research on localized progressive damage model for fractured rocklike materials[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(10)：2 043-2 050.

[5]李術(shù)才，李廷春，王剛，等.單軸壓縮作用下內(nèi)置裂隙擴展的CT掃描試驗[J].巖石力學與工程學報，2007，26(3)：484-492.

LI Shu-cai，LI Ting-chun，WANG Gang，et al.CT Real-Time scanning tests on rock specimens with artificial initial crack under uniaxial conditions[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(3)：484-492.

[6]李術(shù)才，楊磊，李明田，等.三維內(nèi)置裂隙傾角對類巖石材料拉伸力學性能和斷裂特征的影響[J].巖石力學與工程學報，2009，28(2)：281-289.

LI Shu-cai，YANG Lei，LI Ming-tian，et al.Influences of 3D internal crack dip angle on tensile mechanical properties and fracture features of rock-like material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2)：281-289.

[7]李廷春，呂海波.三軸壓縮載荷作用下單裂隙擴展的CT實時掃描試驗[J].巖石力學與工程學報，2010，29(2)：289-296.

LI Ting-chun，LV Hai-bo.CT Real-Time Scanning tests on single crack propagation under triaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(2)：289-296.

[8]李廷春，呂海波，王輝.單軸壓縮載荷作用下雙裂隙擴展的CT掃描試驗[J].巖土力學，2010，31(1)：9-14.

LI Ting-chun，LV Hai-bo，WANG Hui.CT real-time scanning tests on double cracks propagation under uniaxial compression[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(1)：9-14.

[9]蒲成志，曹平，趙延林，等.單軸壓縮下多裂隙類巖石材料強度試驗與數(shù)值分析[J].巖土力學，2010，31(11)：3 661-3 666.

PU Cheng-zhi，CAO Ping，ZHAO Yan-lin，et al.Numerical analysis and strength experiment of rock-like materials with multi-fissures under uniaxial compression[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(11)：3 661-3 666.

[10]付金偉，朱維申，曹冠華，等.巖石中三維單裂隙擴展過程的試驗研究和數(shù)值模擬[J].煤炭學報，2013，38(3)：411-417.

FU Jin-wei，ZHU Wei-shen，CAO Guan-hua，et al.Experimental study and numerical simulation of propagation and coalescence process of a single three-dimensional flaw in rocks[J].Journal of China coal Society，2013，38(3)：411-417.

[11]謝其泰，郭俊志，王建力，等.單軸壓縮下含傾斜單裂紋砂巖試件裂紋擴展量測研究[J].巖土力學，2011，32(10)：2 917-2 921.

XIE Qi-tai，GUO Jun-zhi，WANG Jian-li，et al.A study of crack propagation measurement on sandstone with a single inclined flaw under uniaxial compression[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(10)：2 917-2 921.

[12]靳瑾，曹平，蒲成志.預制裂隙幾何參數(shù)對類巖材料破壞模式及強度的影響[J].中南大學學報：自然科學版，2014，45(2)：539-535.

JIN Jin，CAO Ping，PU Cheng-zhi.Influence of flaw parameters on damage mode and strength of rock-like materials[J].Journal of Central South University：Natural Science Edition，2014，45(2)：539-535.

[13]張偉，周國慶，張海波，等.傾角對裂隙巖體力學特性影響試驗?zāi)M研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2009，38(1)：30-33.

ZHANG Wei，ZHOU Guo-qing，ZHANG Hai-bo，et al.Experimental research on the influence of obliquity on the mechanical characteristics of a fractured rock mass[J].Journal of China University of Mining & Technology，2009，38(1)：30-33.

[14]明華軍，徐小鋒，梁波.不同裂隙張開度下巖石材料破壞的顆粒離散元模擬[J].三峽大學學報：自然科學版，2013，35(6)：63-66.

MING Hua-jun，XU Xiao-feng，LIANG Bo.Simulation of rock failure mechanism of different fracture apertures using particle flow code[J].Journal of China Three Gorges University：Natural Science Edition，2013，35(6)：63-66.

[15]蒲成志，曹平，陳瑜，等.不同裂隙相對張開度下類巖石材料斷裂試驗與破壞機理[J].中南大學學報：自然科學版，2011，42(8)：2 394-2 399.

PU Cheng-zhi，CAO Ping，CHEN Yu，et al.Fracture test and failure mechanism of rock-like material of relatively different fracture apertures[J].Journal of Central South University：Natural Science Edition，2011，42(8)：2 394-2 399.

Propagation mechanism of 3D through fracture with different width under uniaxial load

ZHANG Shi-lin1，2，DU Yi-teng2，LI Ting-chun2，ZHANG Guo-peng2，LIU Qi-shun2

(1.GeotechnicalEngineeringCompanyofEastChinaDesignInstitute,CNPC，Qingdao266071China；2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofCivilEngineeringDisasterPreventionandMitigation，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

The uniaxial compression test and numerical simulation are employed to systematically analyze through fractures with different widths processed by homemade mold on standard specimens.Test and numerical results are obtained as follows：mechanical parameters such as peak strength，splitting strength and elasticity modulus of specimens with fractures show a liner decrease trend with the enlarge of fracture apertures，change of fracture apertures has small effect on peak strength and it has obvious effect on splitting strength and elasticity modulus；fractures with different widths start at crack-tip and extend in the form of wing cracks，and there has an obvious difference affected by width when it extends before and after peak state；during the load process，tensile stress concentration area at crack tips would enlarge along with the enlarge of fracture apertures，but never reach the specimen border，and the range of shear stress concentration is relatively stable，which would not change along with the change of fracture apertures.

uniaxial load；through fracture；width；law of crack growth；numerical simulation

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0415

1672-9315(2016)04-0548-06

2016-03-10責任編輯：劉潔

國家自然科學基金(51279096)

張仕林(1990-)，男，山東臨沂人，助理工程師，E-mail:zhangshilin2015.se@cnpc.com.cn

TU 452

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