不同應(yīng)變速率下雙裂隙紅砂巖力學(xué)特征試驗(yàn)研究

張　通，祝梓航，鄭雪梅，王述紅

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.遼寧省巖土工程實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819)

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不同應(yīng)變速率下雙裂隙紅砂巖力學(xué)特征試驗(yàn)研究

張通1，2，祝梓航1，2，鄭雪梅1，2，王述紅1，2

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.遼寧省巖土工程實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819)

節(jié)理巖體在外力擾動(dòng)下的失穩(wěn)破壞往往對(duì)工程產(chǎn)生較大影響。為探究應(yīng)變速率對(duì)節(jié)理裂隙巖體力學(xué)特征的影響，室內(nèi)采用不同加載速率對(duì)含兩條預(yù)制裂隙的紅砂巖試樣進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬和分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同加載速率下，含預(yù)制雙裂隙紅砂巖破壞過程大致相同；隨著加載速率的增加，試樣的峰值強(qiáng)度增加，試樣發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變也有一定的增長；隨著加載速率的增加，在預(yù)制裂隙兩端萌生的裂隙數(shù)量逐漸增多，裂隙的擴(kuò)展方向更多樣，擴(kuò)展的距離也更遠(yuǎn)，導(dǎo)致試樣逐漸從局部破壞形式向整體破壞形勢(shì)發(fā)展。利用FLAC3D軟件數(shù)值分析得到，隨著加載速率的增加，單軸壓縮荷載作用產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍變大。

應(yīng)變速率；裂隙擴(kuò)展；破壞形態(tài)；峰值強(qiáng)度；數(shù)值模擬

由于山體、邊坡等的破壞往往造成重大的工程安全事故，通過理論推導(dǎo)、試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬等方法，探究裂隙分布形式、巖橋傾角和裂隙間距等因素對(duì)節(jié)理裂隙巖石破壞特征和裂隙擴(kuò)展方式的影響進(jìn)程從未停止[1-8]。

楊圣奇[9-10]進(jìn)行了多條預(yù)制裂隙砂巖強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展特征的試驗(yàn)研究，總結(jié)了試樣宏觀變形特性與裂紋擴(kuò)展間的關(guān)系；蒲成志等[11-12]基于滑動(dòng)裂紋模型理論，結(jié)合試件破壞全應(yīng)力-應(yīng)變曲線和貫通破壞面顆粒體破壞形態(tài)，分析了裂隙試件斷裂破壞機(jī)理。劉學(xué)偉等[13]系統(tǒng)地研究了T形、X形交叉裂隙等多種裂隙分布形式對(duì)巖體強(qiáng)度特征及失穩(wěn)模式的影響；蘇承東等[14]對(duì)細(xì)晶大理巖試樣進(jìn)行了多級(jí)應(yīng)變速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了應(yīng)變速率對(duì)大理巖力學(xué)性質(zhì)的影響；尹小濤等[15]通過Fish語言編程，虛擬實(shí)現(xiàn)巖石數(shù)值試件，探究了加載速率對(duì)巖石材料力學(xué)行為的影響。

為了進(jìn)一步探究加載速度對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)性能及裂隙擴(kuò)展形態(tài)的影響，本文通過從現(xiàn)場采集的紅砂巖試樣，在實(shí)驗(yàn)室采用不同加載速率對(duì)含兩條預(yù)制裂隙的試樣進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，分析不同加載速率對(duì)含預(yù)制雙裂隙紅砂巖力學(xué)性能的影響，在此基礎(chǔ)上通過FLAC3D軟件利用數(shù)值方法模擬加載速率對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)行為的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)紅砂巖采自遼寧省鞍山市，巖塊宏觀結(jié)構(gòu)均勻一致。采集的紅砂巖試塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室精加工，制備成完整的紅砂巖長方體巖樣，試驗(yàn)材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　試驗(yàn)材料物理力學(xué)參數(shù)

試樣的尺寸：寬度L×高度H×厚度W分別為100 mm×200 mm×30 mm。在完整長方體巖樣上標(biāo)出預(yù)制裂紋的位置，然后用高壓水槍在裂紋的端部沖孔，沖孔完成后沿標(biāo)出的裂紋位置完成整個(gè)裂紋的切割，得到含預(yù)制雙裂隙的紅砂巖試樣，如圖1所示。預(yù)制的裂隙長度均為d=18 mm，裂隙傾角為α=30°，裂隙之間的巖橋長度和巖橋傾角分別為d=18 mm和β=60°，預(yù)制的兩條裂隙寬度w均近似為2.0 mm。

2　試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用9個(gè)相同的試樣，共分3組，每組3個(gè)試塊，所有試塊的預(yù)制裂隙位置和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)均相同，每組內(nèi)的3個(gè)試塊加載速度相同，不同組的試塊采用不同的加載速度進(jìn)行加載，加載速率分別為0.001 mm/s、0.002 mm/s、0.003 mm/s。

試驗(yàn)在東北大學(xué)211工程巖土力學(xué)與地下工程實(shí)驗(yàn)中心的YAG—3000微機(jī)控制巖石剛度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)系統(tǒng)可通過控制軸向位移的方式控制軸壓，并能自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)所能施加的最大軸向力為3 000 kN。

圖1含兩條預(yù)制裂隙的紅砂巖試樣裂隙分布示意圖

3　試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)程序如下：試驗(yàn)前，在試樣上下端部均勻涂抹一層凡士林，以減少端部摩擦。試驗(yàn)時(shí)，首先將試樣放在巖石試驗(yàn)機(jī)中央；其次，調(diào)整試塊與加載設(shè)備間距至合適位置；然后，采用控制軸向位移的方式，對(duì)試件進(jìn)行單軸加載。本試驗(yàn)采用一次加載，當(dāng)預(yù)制裂隙貫通，試塊喪失承載能力時(shí)(此時(shí)的應(yīng)變約為0.9%)卸載。

在加載的同時(shí)，采用數(shù)碼攝像機(jī)連續(xù)拍攝結(jié)合數(shù)碼照相機(jī)瞬間抓拍的方法，對(duì)加載過程預(yù)制裂隙的起裂、貫通及破壞過程進(jìn)行記錄，并用試驗(yàn)儀器自帶的軟件采集試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖2所示，為三個(gè)不同加載速率下含兩條預(yù)制裂隙的紅砂巖單軸壓縮試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比情況。不同加載速率下，含預(yù)制雙裂隙紅砂巖破壞過程相似，都是預(yù)制裂隙先發(fā)生起裂、貫通，并在外加荷載的作用下裂隙逐漸延伸，最終導(dǎo)致試塊破壞。不同加載速率下，試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)也大致相同，均有一次明顯的應(yīng)力跌落。分析某一速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：在初始階段應(yīng)力隨應(yīng)變的增長而緩慢增加；當(dāng)應(yīng)變到達(dá)0.3%左右后，應(yīng)力進(jìn)入快速增長階段，且應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L的速率逐漸加快；當(dāng)應(yīng)變?cè)鲩L至0.9%附近達(dá)到極值，隨后由于兩條預(yù)制裂隙接近貫通，出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象，即應(yīng)變不發(fā)生變化而應(yīng)力大幅減?。恢髴?yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長，但此時(shí)試樣已經(jīng)失去承載能力，發(fā)生脆性破壞。

圖2不同加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

4.1加載速率對(duì)峰值強(qiáng)度的影響

由不同速率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比可知，隨著加載速率變快，試件的峰值強(qiáng)度有一定增長，且加載速率越快，峰值強(qiáng)度增加的越多。在加載速率為0.001 mm/s時(shí)，峰值強(qiáng)度為29.36 MPa；當(dāng)加載速率增加至0.002 mm/s時(shí)，峰值強(qiáng)度為34.86 MPa，峰值強(qiáng)度的變化值為5.50 MPa；當(dāng)加載速率增加至0.003 mm/s時(shí)，峰值強(qiáng)度為45.18 MPa，峰值強(qiáng)度的變化值約為10.32 MPa?？梢?，由于加載速率的增加，裂隙的萌生，擴(kuò)展和貫通消耗的能量越多，導(dǎo)致試塊的承載力有一定的增長，峰值強(qiáng)度變大。并且隨著加載速率的增加，這種效應(yīng)也越明顯，試樣的破壞形式也由局部破壞逐漸向整體破壞發(fā)展，導(dǎo)致試樣的峰值強(qiáng)度變化量也逐漸增大。從接近峰值強(qiáng)度曲線斜率的變化來看，加載速率越大，曲線變化的斜率越大，但影響效果不明顯。由于真實(shí)試驗(yàn)存在一定偶然性，還有待進(jìn)行更多的試驗(yàn)對(duì)相關(guān)結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和探討。

4.2加載速率對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)應(yīng)變的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，加載速率越快，試件發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也越大。在加載速率為0.001 mm/s時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為0.84%；當(dāng)加載速率增加至0.002 mm/s時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為0.93%；當(dāng)加載速率增加至0.003 mm/s時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)的應(yīng)變值為1.08%?？梢?，加載速率的增加，使由預(yù)制裂隙貫通導(dǎo)致的應(yīng)力強(qiáng)度跌落現(xiàn)象在產(chǎn)生更大的應(yīng)變后發(fā)生。

但在3個(gè)不同加載速率下，試樣發(fā)生跌落現(xiàn)象時(shí)應(yīng)力跌落的數(shù)值大致相同，分別為3.92 MPa、4.16 MPa、4.02 MPa。這是因?yàn)閷?dǎo)致跌落現(xiàn)象的主要原因是兩條預(yù)制裂隙的貫通，而不同加載速率下試樣預(yù)制裂隙的長度，巖橋的傾角和巖橋的長度等參數(shù)均相同，所以預(yù)制裂隙貫通造成的應(yīng)力下降的幅度也大致相同。

4.3加載速率對(duì)破壞形態(tài)的影響

如圖3所示，為不同加載速率下含預(yù)制雙裂隙紅砂巖試樣破壞后的實(shí)物圖。從圖3中可以看出，不同應(yīng)變速率下的破壞形式大體相同，導(dǎo)致試樣最終破壞的主要原因是兩條非共線預(yù)制裂隙的貫通。但是，隨著加載速率的增加，在兩條預(yù)制裂隙外端會(huì)萌生更多裂隙，且裂隙延伸的方向和距離有一定的差異。

從裂縫延伸和分布情況看，當(dāng)單向加載速度為0.001 mm/s時(shí)，裂隙主要從預(yù)制裂隙外端部向試件邊緣，沿著試件高度H方向擴(kuò)展，且萌生的裂隙較少；當(dāng)加載速度為0.002 mm/s時(shí)，主要的裂隙仍是從預(yù)制裂隙外端部向試件邊緣，沿著試件高度H方向擴(kuò)展，但在上方的預(yù)制裂隙兩端各萌生出一條新的裂隙，并且其中一條裂隙有沿著試件寬度L方向，即橫向延伸的趨勢(shì)；當(dāng)加載速度為0.003 mm/s時(shí)，在兩條一直裂隙的外端各萌生出兩條新的裂隙，且裂隙的延伸不再局限與沿著試件高度H方向擴(kuò)展，部分裂隙沿著試件寬度L方向延伸的趨勢(shì)更加明顯。對(duì)于從上方預(yù)制裂隙外端萌生的兩條裂隙在試件的端部，即遠(yuǎn)離預(yù)制裂隙的位置上還有發(fā)生橫向貫通的趨向。

圖3不同加載速率下含預(yù)制雙裂隙紅砂巖試樣破壞實(shí)物圖

由于較高加載速率下，裂隙萌生數(shù)量的增長和延伸方向的更加多樣，延伸距離也更遠(yuǎn)。所以，試樣破壞得更嚴(yán)重，裂隙遍布范圍更廣，且試樣整體破壞形式呈現(xiàn)從局部破壞向整體破壞發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

5　數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬采用的FLAC3D軟件，是利用最大不平衡力來描述FLAC計(jì)算的收斂過程的。由于FLAC3D軟件對(duì)模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散法”，且計(jì)算方程采用了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，其計(jì)算結(jié)果比有限元軟件更精確，適合對(duì)含有預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

運(yùn)用的FLAC3D軟件，通過建立模型、定義荷載、邊界條件等步驟，模擬含有斷續(xù)雙裂隙紅砂巖在不同速率下加載的試驗(yàn)。在運(yùn)用軟件模擬加載過程時(shí)，首先對(duì)試樣底面施加Z方向位移約束，頂面采用不同計(jì)算時(shí)步的速度加載。然后，設(shè)定的試塊物理力學(xué)參數(shù)為：彈性模量32.8 GPa，泊松比0.22，黏聚力為28.6 MPa，內(nèi)摩擦角為41.2°，抗拉強(qiáng)度為2.46 MPa。最后，利用ANSYS建立模型并利用其自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格邊長2.5 mm，提交作業(yè)，經(jīng)過軟件自帶的后處理功能，可以得到塑性區(qū)域示意圖。

通過提取的單元塑性狀態(tài)，可以判斷破壞模式為脆性破壞；通過模擬過程中記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以判斷試樣的力學(xué)特征。如圖4所示，給出了運(yùn)用FLAC3D軟件數(shù)值模擬單軸加載速率為0.001 m/s和0.050 m/s的兩種條件下，含斷續(xù)雙裂隙紅砂巖試樣塑性區(qū)域示意圖。

圖4數(shù)值模擬含雙裂隙紅砂巖試樣塑性區(qū)域示意圖

從貫通裂隙的整體分布范圍來看，在較小的單軸加載速率下，萌生的裂隙主要分布在預(yù)制裂隙的周圍，貫通裂隙的主要沿著試件的高度H方向延伸，但延伸范圍不是很廣，未能遍及整個(gè)試件，呈現(xiàn)一種局部破壞的形態(tài)。而對(duì)于加載速率較大條件下的試樣，萌生裂隙的分布范圍雖然也是以預(yù)制裂隙周圍為主，但貫通裂隙的延伸范圍遍及整個(gè)試樣高度，并出現(xiàn)了一些橫向L方向貫通的裂隙，呈現(xiàn)一種整體破壞的形態(tài)。特別是對(duì)于加載速率較大的試件的破壞，由于萌生的裂隙數(shù)量的增長，萌生裂隙甚至可以在試樣的兩端，即距離預(yù)制裂縫較遠(yuǎn)的位置上發(fā)生局部橫向的貫通。

總之，從數(shù)值模擬所得試樣塑性區(qū)域示意圖中可以明顯看到：隨著加載速率的增加，單軸壓縮荷載對(duì)試樣的影響越大，塑性區(qū)范圍越廣，發(fā)生貫通的裂隙也越多，在預(yù)制裂隙周圍萌生的新的裂隙數(shù)量也隨著加載速率的增大而有所增長。但由于初始邊界條件等參數(shù)的選取與實(shí)際值還存在一定的差異，對(duì)于數(shù)值分析結(jié)果仍需進(jìn)一步修正和檢驗(yàn)。

6　結(jié)　論

(1) 不同加載速率下，含預(yù)制雙裂隙紅砂巖破壞過程大致相同，導(dǎo)致試樣最終破壞的主要原因都是兩條非共線預(yù)制裂縫的貫通，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有一次明顯跌落現(xiàn)象。

(2) 含預(yù)制雙裂隙紅砂巖試樣的峰值強(qiáng)度會(huì)隨加載速率的增加而變大，且加載速率越快，峰值強(qiáng)度增加量也越大。

(3) 加載速率越快，試件發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)度跌落時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也越大。但不同加載速率下，試樣發(fā)生跌落現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)力跌落的數(shù)值大致相同。

(4) 從最終試樣的破壞形態(tài)來看，加載速率增加后，試樣萌生的裂隙數(shù)量更多，延伸的方向更多樣，延伸范圍也更廣，并且完整試樣的破壞形態(tài)由局部破壞逐漸向整體破壞發(fā)展。

(5) 從數(shù)值模擬結(jié)果看，隨著加載速率的增加，單軸壓縮荷載作用產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍變大。同時(shí)，由于加載速率的增長，裂隙的擴(kuò)展方式也不局限于沿著試件高度H方向開展，而有部分裂隙發(fā)生橫向L方向擴(kuò)展和貫通。

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Experimental Study on Mechanical Properties of Red Sandstone Containing Two Pre-existing Fissures under Different Strain Rates

ZHANG Tong1,2， ZHU Zihang1,2， ZHENG Xuemei1,2， WANG Shuhong1,2

(1.NortheasternUniversity,SchoolofResources&CivilEngineering,Shenyang,Liaoning110819,China; 2.GeotechnicalEngineeringLaboratoryofLiaoningProvince,Shenyang,Liaoning110819,China)

The instability of fractured rock mass under outer force perturbation usually have great influence on engineering constructions. Aimed at the mechanical properties of joint rocks under different strain rates, the red sandstone specimens containing two pre-existing flaws were studied inside under uni-axial loading with different strain rates to perform numerical simulation in order to analyze the influence of strain rates on joint rocks and verify the result. It was shown that the peak strengths increased with strain rates and the corresponding strain when the stress dropped increased as well. In addition, as the strain rates increased, more and more cracks appeared, and the cracks spread to different directions and further distance, resulting in the specimens changed from local failure to general demolition. Simulation results of FLAC3Dshowed that the increase of strain rates enlarged the range of plastic zone caused by uni-axial loading.

strain rate; crack spreading; failure mode; peak strength; numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.013

2016-03-22

2016-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474050，51179031)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLGP2012K009，SKLGP2014K011)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LN2014006)；東北大學(xué)第九批國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510145035)

張通(1995—)，男，黑龍江哈爾濱人，本科生，所學(xué)專業(yè)為土木工程。E-mail: zhangtongneu@163.com

王述紅(1969—)，男，江蘇泰州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)理巖體工程特性研究工作。 E-mail:wangshuhong@mail.neu.edu.cn

TU458.3

A

1672—1144(2016)04—0064—04