預(yù)制平行雙節(jié)理類(lèi)巖石材料板動(dòng)態(tài)破壞試驗(yàn)研究

王奇智 ，夏開(kāi)文 ，吳幫標(biāo) ，徐 穎 ，劉 豐

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

近年來(lái)，國(guó)家中西部地區(qū)大型基建項(xiàng)目飛速發(fā)展，隨著工程問(wèn)題研究的深入，節(jié)理裂隙的發(fā)展成為巖體力學(xué)研究熱點(diǎn).一方面，在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，為防止節(jié)理巖體出現(xiàn)塌方、滑坡等工程事故，必須采取有效措施控制巖體的裂隙擴(kuò)展；另一方面，在石油、頁(yè)巖氣開(kāi)采等領(lǐng)域，則需要采用一些手段促進(jìn)和控制裂隙的發(fā)展.研究和實(shí)踐表明，應(yīng)力擾動(dòng)造成巖體原有節(jié)理裂隙面的演化、擴(kuò)展和貫通，最終失穩(wěn)破壞[1].

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究主要集中在完整巖石在不同加載條件下的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展致巖石破壞，或帶有預(yù)制節(jié)理的靜力學(xué)試驗(yàn).

Brace等[2]最早利用單軸、雙軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)含預(yù)制節(jié)理的巖石樣品進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了傾斜節(jié)理裂隙的翼型擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)角度等影響因素并未考慮；Wong等[3]對(duì)單一節(jié)理試件翼裂紋及次生裂紋的的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究；Bobet等[4]利用石膏所做的傾斜單裂紋壓縮試驗(yàn)觀察到了翼型裂紋和次生剪切裂紋的起裂、擴(kuò)展和貫通過(guò)程，宏觀描述居多，并未定量分析.國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)節(jié)理巖體的裂隙擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了研究，楊圣奇等[5]開(kāi)展了含單一節(jié)理靜態(tài)巖體力學(xué)試驗(yàn)，從試驗(yàn)角度獲得了裂隙擴(kuò)展機(jī)理，其以分析試樣整體性參數(shù)為主，沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)裂紋周邊位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)描述；張偉等[6]利用模型試驗(yàn)研究了節(jié)理傾角對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響，其研究主要以靜態(tài)加載為主，未考慮加載率效應(yīng).對(duì)于靜態(tài)荷載下多節(jié)理巖體的裂隙擴(kuò)展研究，Ashby等[7]研究了壓縮應(yīng)力狀態(tài)下脆性固體中裂紋的生長(zhǎng)和相互作用，并對(duì)這一系列力學(xué)行為進(jìn)行了建模，提出了損傷力學(xué)理論的框架，但數(shù)值分析存在假設(shè)及選擇性忽略條件，破壞結(jié)果與真實(shí)巖石破壞存在一定差距；Ramamurthy[8]基于單軸和三軸試驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)能考慮節(jié)理數(shù)目、節(jié)理方位和節(jié)理面強(qiáng)度的試驗(yàn)綜合系數(shù)，以考慮節(jié)理剪切破壞為主；陳衛(wèi)忠等[9]用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了翼型節(jié)理巖體在單軸、雙軸荷載作用下裂隙擴(kuò)展貫通的規(guī)律；張波等[10-12]使用類(lèi)巖石材料，制作交叉節(jié)理，分析單軸應(yīng)力狀態(tài)下不同節(jié)理形態(tài)的裂隙擴(kuò)展規(guī)律及靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，其研究?jī)?nèi)容以填充閉合裂紋為主.

對(duì)于巖石動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，張盛等[13]和 Wang等[14]使用 SHPB測(cè)試了預(yù)制節(jié)理長(zhǎng)度與斷裂韌度之間的關(guān)系.Dai等[15-17]利用SHPB對(duì)帶缺口的巴西圓盤(pán)及半巴西圓盤(pán)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)荷載測(cè)試，得到了加載率與其Ⅰ型斷裂韌度之間的關(guān)系.Wang等[18-19]得到了中間含裂縫的大理巖的Ⅰ型和Ⅱ型動(dòng)態(tài)斷裂韌度.以上研究屬于巖石特性試驗(yàn)，對(duì)節(jié)理裂隙的影響程度欠考慮.Zou等[20-21]用試驗(yàn)方法得到了動(dòng)態(tài)荷載作用下巖石材料的裂紋起裂和擴(kuò)展規(guī)律，比較了靜、動(dòng)荷載下節(jié)理裂隙的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)荷載作用下的強(qiáng)度和應(yīng)變都比靜態(tài)荷載作用下大，但其動(dòng)態(tài)測(cè)試只考慮了某一固定加載率，還有待進(jìn)一步深入研究.Gao等[22-24]使用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法捕捉了巖石受載破壞時(shí)的動(dòng)態(tài)位移場(chǎng)，得到裂紋尖端位置及應(yīng)力強(qiáng)度因子等斷裂參數(shù)，確定裂紋擴(kuò)展速度、斷裂韌度等，研究過(guò)程中對(duì)裂紋路擴(kuò)展徑進(jìn)行了固定，且只考慮了Ⅰ型斷裂.

綜上所述，巖石裂隙擴(kuò)展作為巖石力學(xué)中的一個(gè)方向，已經(jīng)有了比較廣泛的研究，特別是在靜態(tài)荷載作用下，巖體裂隙的擴(kuò)展規(guī)律研究較為成熟，而對(duì)于動(dòng)載作用下巖石的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理尚存在以下問(wèn)題：首先，動(dòng)載條件下，研究主要集中于完整巖石的特性測(cè)量，例如巖石斷裂的起裂韌度和傳播韌度，而對(duì)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律的研究相對(duì)混亂，系統(tǒng)性較差；第二，對(duì)于含有預(yù)制裂紋的巖體的裂隙動(dòng)態(tài)擴(kuò)展機(jī)制討論不多；第三，對(duì)節(jié)理巖體的裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展情況以定性現(xiàn)象描述為主，缺乏深入量化分析.

因此，動(dòng)載下含節(jié)理巖體的破壞特性研究的必要性凸顯.本試驗(yàn)基于斷裂動(dòng)力學(xué)理論，擬預(yù)制雙節(jié)理類(lèi)巖石材料板作為研究對(duì)象，結(jié)合SHPB動(dòng)力加載系統(tǒng)，揭示預(yù)制張開(kāi)型平行雙節(jié)理巖體在動(dòng)態(tài)加載條件下的破壞特性.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)方案與試樣制備

試驗(yàn)樣品采用類(lèi)巖石材料水泥砂漿制備，水泥采用 725標(biāo)號(hào)，參考相關(guān)建筑材料規(guī)范進(jìn)行配比，水泥、水、砂質(zhì)量比為 1∶0.57∶3，在試樣中心位置預(yù)制貫通裂紋，澆筑成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d，并進(jìn)行平整度打磨達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸 47mm×47mm×15mm，裂紋長(zhǎng)度 6mm，厚度 0.1mm.最后表面粘貼散斑紙配合后期DIC攝像，數(shù)量為56塊，共7組(傾角α為0°～90°，間隔 15°)，每組 8塊.樣品及加載如圖 1所示.試驗(yàn)方案見(jiàn)表 1.裂縫制備采用超薄鋼片黏結(jié)磨具底部，樣品澆筑養(yǎng)護(hù) 1d后，拔出鋼片即可形成預(yù)制裂縫.

圖1 樣品及加載示意Fig.1 Schematic diagram of specimen and loading

表1 含預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理巖體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Design of test scheme for prefabricated double cracked rock mass

加載率通過(guò)粘貼在 SHPB上的應(yīng)變片電信號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)，靜態(tài)彈性模量和泊松比通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試而來(lái).

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

分離式霍普金森壓桿(SHPB)作為加載系統(tǒng)，提供 300～1200GPa/s的加載率范圍(應(yīng)變率 10～60s-1).試驗(yàn)裝置位于天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土所，加載系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、電信號(hào)采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng).加載率變化主要通過(guò)氣室內(nèi)氣體壓力實(shí)現(xiàn)，為獲得應(yīng)力平衡加載狀態(tài)，在子彈撞擊部位粘貼波形整形器得到光滑加載曲線.整套系統(tǒng)如圖2所示.配合超高速攝像機(jī)(極限速度 500萬(wàn)幀/s)，捕捉試樣動(dòng)態(tài)破壞全過(guò)程.相鄰時(shí)間圖像時(shí)間步達(dá)到1μs精度.

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及處理

圖2 加載系統(tǒng)Fig.2 Loading system

三波法原理.入射桿、透射桿應(yīng)變片均采用對(duì)稱粘貼方式以消除彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變，并假設(shè)SHPB符合一維應(yīng)力波狀態(tài)及均質(zhì)性假定.根據(jù)應(yīng)變片記錄的入射波εi( t )、反射波εr( t )和透射波脈沖信號(hào)εt( t)見(jiàn)圖3，其荷載計(jì)算公式分別為

式中：E、A分別為壓桿的彈性模量和橫截面積；P1( t)為入射桿荷載產(chǎn)生的力；P2( t)為透射桿荷載產(chǎn)生的力，當(dāng)樣品達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)，有

圖 4展示了一組預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理試樣在SHPB加載下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡圖.

圖3 一維應(yīng)力波原理圖Fig.3 Diagram of one-dimensional stress wave principle

圖4 典型的SHPB應(yīng)力平衡圖Fig.4 Dynamic stress balance in a typical SHPB test

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度參數(shù)

從加載率角度來(lái)看，不同加載率會(huì)得到不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線峰值一般代表試樣的動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度.加載率越大，其應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值越大.

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線反映了樣品破壞的一個(gè)過(guò)程，根據(jù)圖 5可以看出，一般分為 3個(gè)階段：初始階段為線彈性變形，第 2階段為非線性變形，最終演化成宏觀破壞.在低加載率下，非線性變形階段較長(zhǎng)較緩，而高加載率條件下，第 2階段逐漸不明顯，非線性過(guò)渡區(qū)域變小.樣品的破壞強(qiáng)度主要根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值確定.由圖 5可以看出，不同加載率節(jié)理試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值不盡相同，于是將不同角度不同加載率試驗(yàn)結(jié)果匯總對(duì)比，見(jiàn)圖6.

圖5 雙裂紋動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(α＝60°)Fig.5 Stress-strain curves of specimens containing two parallel fissures under dynamic compression(α＝60°)

圖 6匯總了各角度節(jié)理試樣在不同加載率下的最終動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)結(jié)果具有一定的離散性，90°與30°樣品組強(qiáng)度較高，45°與 75°樣品組強(qiáng)度較低，其余樣品組強(qiáng)度居中.為了更好地發(fā)現(xiàn)各角度樣品組強(qiáng)度變化規(guī)律，現(xiàn)將其強(qiáng)度與加載率進(jìn)行加權(quán)平均(強(qiáng)度×自身加載率/各試樣加載率之和)，得到圖7.

圖6 各角度節(jié)理試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度匯總Fig.6 Summary of dynamic strength of jointed specimens at various angles

圖 7清晰地展現(xiàn)了強(qiáng)度變化規(guī)律，即 30°樣品組強(qiáng)度最高，而 75°樣品組強(qiáng)度最低，整體展現(xiàn)出傾斜的 N字形變化規(guī)律.強(qiáng)度最大值與最小值差值約為16%.

圖7 各角度節(jié)理樣品動(dòng)態(tài)強(qiáng)度加權(quán)平均值曲線Fig.7 Weighted average dynamic strength curve of jointed specimens at various angles

2.2 破壞模式

在動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中，使用示波器信號(hào)觸發(fā)相機(jī)拍攝，調(diào)試相機(jī)拍照時(shí)間及對(duì)應(yīng)的幀數(shù)，捕捉 0°～90°預(yù)制裂紋試樣的破壞過(guò)程，包括裂隙的起裂、動(dòng)態(tài)傳播、閉合及完全破壞(見(jiàn)圖8).

圖8 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理30°試樣破壞過(guò)程Fig.8 Dynamic damage failure diagram of 30° prefabricated opened two parallel flaws specimens

圖 8為原始拍照?qǐng)D片，圖9為 DIC技術(shù)處理后的圖片，此試樣加載率為 1 110 GPa/s，可以觀察圖8(a)發(fā)現(xiàn)主應(yīng)變首先在兩個(gè)節(jié)理之間聚集，隨后主應(yīng)變以 4個(gè)節(jié)理尖端為出發(fā)點(diǎn)，逐漸與外部裂紋連通，最后形成X 型主裂隙，圖 8(b)、(c)則可觀察到雙節(jié)理巖橋破壞模式，裂隙為兩尖端反向?qū)ΨQ連接.

圖9 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理30°試樣破壞過(guò)程云圖Fig.9 Dynamic damage failure nephogram of 30° prefabricated opened two parallel flaws specimens

圖 10為 0～90°樣品在動(dòng)載下的(加載率 643～1230GPa/s)典型破壞模式，宏觀模式均為 X型破壞，在低加載率條件下部分樣品出現(xiàn)Y型破壞，即少一條主裂紋，但其趨勢(shì)依然為X型破壞.

圖10 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理試樣破壞過(guò)程云圖Fig.10 Dynamic damage failure nephogram of prefabricated opened two parallel flaws specimens

角度變化對(duì)破壞模式的影響主要體現(xiàn)在兩條預(yù)制節(jié)理中間部位的巖橋破壞模式，巖橋破壞類(lèi)型有兩種：一種為兩條節(jié)理尖端斜對(duì)角線相連的 Z型破壞，另一種為“口”字形破壞.此外，過(guò)高的加載率會(huì)改變Z型巖橋破壞的模式，具體模式及分布見(jiàn)圖11.其中，T代表張拉破壞，S代表剪切破壞.

2.3 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)討論

斷裂動(dòng)力學(xué)中，裂紋尖端動(dòng)態(tài)起裂是斷裂行為的重要組成部分.本節(jié)將利用數(shù)學(xué)的方法，捕捉其裂尖動(dòng)態(tài)起裂峰值應(yīng)力，主要方法如下：通過(guò)數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)(DIC)捕獲裂紋尖端位移場(chǎng)(見(jiàn)圖 12)，代入Williams多項(xiàng)式，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到裂紋尖端Ⅰ、Ⅱ型動(dòng)態(tài)起裂時(shí)刻的峰值應(yīng)力強(qiáng)度因子.其主要原理為假設(shè)裂紋尖端坐標(biāo)和應(yīng)力強(qiáng)度因子 K為未知數(shù)，若裂尖坐標(biāo)與極坐標(biāo)原點(diǎn)重合，且裂紋面與x軸的負(fù)半軸重合，則用極坐標(biāo) r和θ表示的裂紋尖端區(qū)域非線性位移場(chǎng)方程組[25]求解裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，即

圖11 巖橋破壞形態(tài)Fig.11 Schematic of rock bridge damage

圖12 MATLAB位移場(chǎng)捕捉示意Fig.12 Displacement field capture schematic by MATLAB

式中：ux、uy代表x和y方向的位移分量；μ為切變模量，μ=E/[2(1+v)]，在平面應(yīng)力問(wèn)題中κ=(3-4v)/(1+v)、平面應(yīng)變問(wèn)題中κ=(3-4v)；E和v分別為彈性模量和泊松比；r和θ為極坐標(biāo)參數(shù)；An與Bn分別為位移中對(duì)應(yīng)于Ⅰ型裂紋和Ⅱ型裂紋的系數(shù)；n表示級(jí)數(shù)序列.裂紋的平動(dòng)取決于系數(shù)A0和B0，而剛體轉(zhuǎn)動(dòng)取決于系數(shù)B2.Ⅰ型裂紋級(jí)數(shù)展開(kāi)的第 2項(xiàng)(對(duì)應(yīng)于n＝2)通常被稱為T(mén)應(yīng)力分量.系數(shù)A1和B1分別與Ⅰ型和Ⅱ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子SIFs相對(duì)應(yīng)，

根據(jù)式(5)，可以得到不同時(shí)刻裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，每個(gè)樣品在不同加載率下其峰值均有不同.

下面將討論不同類(lèi)型樣品在不同加載率下其裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的不同點(diǎn)及其變化規(guī)律.由于節(jié)理樣品存在 4個(gè)裂紋尖端，根據(jù)對(duì)稱原理，本文統(tǒng)一采集靠近加載源的兩個(gè)裂尖應(yīng)力場(chǎng).以CA、CB區(qū)分具體尖端點(diǎn)，其中CA點(diǎn)為0～60°樣品組巖橋斷裂的一個(gè)尖端點(diǎn)，CB為另一尖端點(diǎn)(見(jiàn)圖 13)，圖 13(a)代表0°～60°試樣組，圖 13(b)代表 75°～90°試樣組.

圖13 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理尖端應(yīng)力場(chǎng)捕捉示意Fig.13 Captured schematic of crack tip stress field at prefabricated opened two parallel flaws of specimens

裂紋尖端應(yīng)力由張拉應(yīng)力KⅠ和剪切應(yīng)力KⅡ組成，將 DIC捕捉的位移場(chǎng)代入式(5)，得到不同加載率下裂紋尖端動(dòng)態(tài)起裂應(yīng)力場(chǎng)峰值.

圖 14展現(xiàn)了 0°試樣組裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子(SIF)隨加載率的變化，兩點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律基本一致，KⅠ隨加載率先上升后下降，最高點(diǎn)位于加載率650GPa/s附近；KⅡ同樣隨加載率上升而增大，在加載率 950GPa/s附近開(kāi)始回落.KⅠ的變化幅度大于KⅡ.對(duì)于這種變化規(guī)律，一般認(rèn)為隨著加載率變大，單位時(shí)間輸入的能量超過(guò)了預(yù)制節(jié)理區(qū)域的承載能力，試樣在其他區(qū)域衍生了更多的微裂紋，分擔(dān)了預(yù)制裂紋區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致其加載率超過(guò)某一點(diǎn)后應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)始減弱.使用式(4)和(5)從位移場(chǎng)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，計(jì)算為正值時(shí)表示張拉應(yīng)力，負(fù)值則為壓應(yīng)力.力場(chǎng)規(guī)律較為相似，后續(xù)不再討論 30°～90°試樣組自身CA、CB點(diǎn)的對(duì)比.

由于 0°～60°樣品組巖橋區(qū)域破壞形式一致，因此，合并分析其角度帶來(lái)的影響，圖 16展示了巖橋裂紋起始點(diǎn)CA的KⅡ隨角度、加載率的變化規(guī)律，數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本分為 3組：①0°試樣組，受剪較小，基本線性趨勢(shì)；②15°～45°試樣組，先增長(zhǎng)后下降；③60°試樣組，持續(xù)上升.

圖14 預(yù)制雙節(jié)理 0°試樣組節(jié)理尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨加載率變化Fig.14 Variation of crack tip stress intensity factor with loading rate at 0° prefabricated opened two parallel flaws specimens

0°試樣組CA、CB兩點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)幅值略有差異，CA點(diǎn)KⅠ略大于CB點(diǎn)，而KⅡ則略小于CB點(diǎn)，巖橋斷裂連接點(diǎn)CA并未顯著異于CB.

0°試樣組的規(guī)律并未延續(xù)到其他角度，15°試樣組的規(guī)律見(jiàn)圖15.

由圖 15可知，CA、CB兩點(diǎn)KⅡ明顯大于KⅠ，與0°試樣組相反；其次，CA、CB兩點(diǎn)KⅡ都是隨加載率先增后減，峰值位置不同，CA點(diǎn)KⅡ?qū)?yīng)的加載率要大于CB點(diǎn)，假設(shè)斷裂閾值不變，500～600GPa/s加載率條件下，主裂紋先開(kāi)裂，當(dāng)加載率上升到 700～800GPa/s時(shí)，巖橋節(jié)理尖端先發(fā)生剪切破壞.

圖15 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理 15°試樣組裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.15 Variation of stress field with loading rate at the crack tip of 15° prefabricated opened two parallel flaws specimens

最重要的一點(diǎn)是KⅠ出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明位移場(chǎng)為擠壓形態(tài)，導(dǎo)致傳統(tǒng)斷裂力學(xué)中的KⅠ消失，在經(jīng)典斷裂力學(xué)理論中，裂縫寬度假設(shè)為 0，當(dāng)KⅠ出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，裂縫兩個(gè)面會(huì)產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，這在物理學(xué)中是不會(huì)存在的，但由于實(shí)際裂縫存在一定厚度，裂紋受壓后裂縫寬度變小，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的KⅠ.由圖15可以看出，CA、CB兩點(diǎn)KⅠ極小值處基本對(duì)應(yīng)其KⅡ最大值，說(shuō)明裂縫受壓后加大了其KⅡ應(yīng)力場(chǎng).同一樣品CA、CB兩點(diǎn)應(yīng)

圖16 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理 0°～60°試樣組裂紋尖端 CA點(diǎn)剪切應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.16 Variation of crack tip CA shear stress field with loading rate at 0°—60° prefabricated opened two parallel flaws specimens

分析其原因，0°試樣組加載方向和預(yù)制裂縫平行，張拉破壞為主；15°～45°試樣組受剪為主，KⅡ先隨加載率上升而增大，后加載率達(dá)到一定程度后衰減，主要原因?yàn)楦呒虞d率使巖橋破壞形態(tài)發(fā)生改變(見(jiàn)圖 11)，導(dǎo)致預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)變小；60°試樣組中，剪應(yīng)力隨加載率的變大而持續(xù)上升，其原因?yàn)榻嵌冗^(guò)大導(dǎo)致壓剪破壞，受壓產(chǎn)生的摩擦力占據(jù)了主導(dǎo)地位，圖17可以清晰地解釋這一點(diǎn).圖17的拉壓應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為 60°試樣組受壓最大，0°試樣組受拉，其他角度試樣居中，與圖 15基本上能夠形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，即受壓程度越大，剪切應(yīng)力場(chǎng)越強(qiáng).

圖18為CB點(diǎn)的剪切應(yīng)力場(chǎng)，與CA點(diǎn)的剪切應(yīng)力場(chǎng)相似度較高，同樣為 0°最小，60°最大，15°～45°居中，數(shù)據(jù)線性程度較高.圖19為CB點(diǎn)的拉壓應(yīng)力場(chǎng)，其形態(tài)與CA點(diǎn)也頗為相似，區(qū)別依然為 15°～45°試樣分布較為集中.說(shuō)明巖橋區(qū)域破壞對(duì)CA點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律有一定的影響，但影響較小.

圖20和圖21分別為75°和90°傾角預(yù)制雙裂紋試樣組尖端應(yīng)力場(chǎng)，兩者規(guī)律類(lèi)似，壓應(yīng)力較大，KⅡ較小，其中 75°樣品組由于不完全垂直加載方向，其KⅡ略有起伏，CA、CB點(diǎn)數(shù)值也非常接近，90°試樣組KⅡ值因?yàn)榇怪奔虞d方向起伏非常小.兩組試樣CA、CB兩點(diǎn)自身對(duì)比受壓變化規(guī)律也較為一致.

圖17 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理 0°～60°試樣組裂紋尖端 CA點(diǎn)拉壓應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.17 Variation of crack tip CA tensile and compressive stress field with loading rate at 0°—60° prefabriated opened two parallel flaws specimen

圖18 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理 0°～60°試樣組裂紋尖端 CB點(diǎn)剪切應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.18 Variation of crack tip CB shear stress field with loading rate at 0°—60° prefabricated opened two parallel flaws specimens

圖19 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理 0°～60°試樣組裂紋尖端 CB點(diǎn)拉壓應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.19 Variation of crack tip CB tensile and compressive stress field with loading rate at 0°—60° prefabriated opened two parallel flaws specimen

圖20 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理75°傾角試樣組裂紋尖端CA、CB點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.20 Variation of stress field with loading rate at the crack tip CA and CB points of 75° prefabricated opened two parallel flaws specimens

圖21 預(yù)制張開(kāi)型雙節(jié)理90°傾角試樣組裂紋尖端CA、CB點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)隨加載率變化Fig.21 Variation of stress field with loading rate at the crack tip CA and CB points of 90° prefabricated opened two parallel flaws specimens

3 結(jié) 論

本文借助SHPB加載系統(tǒng)，結(jié)合超高速攝像機(jī)和DIC技術(shù)，對(duì)平行雙節(jié)理巖石類(lèi)(水泥砂漿)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，主要結(jié)論如下.

(1) 30°樣品組強(qiáng)度最高，此現(xiàn)象與單裂紋試樣強(qiáng)度規(guī)律一致，而 75°樣品組強(qiáng)度最低，整體展現(xiàn)出傾斜的N字形變化規(guī)律.

(2) 多角度平行雙裂紋試樣基本呈現(xiàn) X類(lèi)型破壞，試樣中心部位因?yàn)橛蓄A(yù)制節(jié)理裂隙存在，兩者中間部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變集中，巖橋會(huì)連通破壞.巖橋破壞類(lèi)型主要有兩種：一種為兩條節(jié)理尖端斜對(duì)角線相連的 Z型破壞；另一種為口字形破壞.此外，過(guò)高的加載率會(huì)改變Z型巖橋破壞的模式.

(3) 對(duì)于破壞模式類(lèi)似的 0°～60°試樣組，0°裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)較小，15°～45°略高，60°試樣組則由于角度原因，受壓明顯導(dǎo)致摩擦力劇增，使得KⅡ持續(xù)增長(zhǎng).75°～90°樣品組應(yīng)力場(chǎng)由于相對(duì)加載方向垂直度較高，導(dǎo)致KⅡ相對(duì)較小，變化幅度也較小，最后兩組的破壞形態(tài)也基本對(duì)稱，不同裂紋尖端的KⅡ差值也較小.

(4) 巖橋破壞點(diǎn)CA應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律與非巖橋點(diǎn)CB略有不同，主要體現(xiàn)在高加載率時(shí)，巖橋破壞模式產(chǎn)生變化導(dǎo)致CA衰減，整體表現(xiàn)出類(lèi)拋物線走勢(shì)；CB應(yīng)力場(chǎng)則隨加載率逐漸增長(zhǎng)呈現(xiàn)出線性規(guī)律.

(5) 類(lèi)推本文結(jié)論，在巖石工程中，動(dòng)載會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面區(qū)域產(chǎn)生裂紋集中，并向外發(fā)散，原有的結(jié)構(gòu)面也會(huì)互相貫通，進(jìn)一步弱化裂紋發(fā)展核心區(qū)；材料膠結(jié)形式與水泥砂漿類(lèi)似的砂巖，其結(jié)構(gòu)面與加載方向夾角若不同，則可能會(huì)產(chǎn)生約 16%的強(qiáng)度差；線性增長(zhǎng)的加載率可以逐漸加強(qiáng)結(jié)構(gòu)面應(yīng)力場(chǎng)使其更加容易破裂，但是過(guò)高的加載率改變了結(jié)構(gòu)面之間的連通破壞形式，因此，針對(duì)不同的破巖目的，可以對(duì)動(dòng)態(tài)加載方式做一些選擇.