花崗巖巴西劈裂漸進(jìn)破壞特征與能量演化研究*

沙 鵬 楊丹蓮 鄔一鑫 伍法權(quán)

(①紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院， 紹興 312000， 中國)

(②浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 紹興 312000， 中國)

0 引 言

硬脆性巖石存在顯著的拉壓不對(duì)稱性，即抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。工程開挖導(dǎo)致完整巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的拉張破裂，引起一系列劈裂破壞現(xiàn)象(周輝等， 2015)。完整巖石的抗拉強(qiáng)度是工程關(guān)注的重要參數(shù)之一，通常采用間接拉伸法測(cè)定。其中：巴西劈裂實(shí)驗(yàn)具有加載簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)試中(ISRM， 1978； Li et al.，2013； 王慧文等， 2017； 滕尚永等， 2018； 王輝等， 2020)。巖石的拉張強(qiáng)度受內(nèi)部的微裂紋控制，隨著裂紋的起裂、擴(kuò)展及連通而發(fā)生變化(劉泉聲等， 2017)。因此，巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)破壞過程研究對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖石張拉破壞機(jī)制及工程穩(wěn)定有著重要意義。

由于巖石內(nèi)部裂紋演化無法被直接觀測(cè)，作為無損檢測(cè)手段，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)值模擬方法常用來判斷巖石的損傷情況。其中：聲發(fā)射(AE)及其定位技術(shù)在巴西劈裂破壞特征與破裂演化規(guī)律中得到了廣泛應(yīng)用(劉希靈等， 2019； 劉斌等， 2020)。趙興東等(2006)通過花崗巖聲發(fā)射事件定位，分析了巖石劈裂過程中裂紋空間演化模式。李果等(2015)分析了10種巖石的巴西劈裂過程的聲發(fā)射信號(hào)，揭示不同巖性劈裂破壞的微觀破裂機(jī)理。趙毅鑫等(2019)利用聲發(fā)射參數(shù)描述巴西劈裂破壞過程中試件的損傷演化，提出了劈裂破壞的張剪混合模式。甘一雄等(2020)借助聲發(fā)射波形參數(shù)變化特征，驗(yàn)證了上述劈裂破壞模式，并基于聲發(fā)射b值提出了花崗巖劈裂破壞劇烈程度的指標(biāo)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIC)的發(fā)展，基于試樣表面散斑的灰度變化開展巴西圓盤試件表面裂紋擴(kuò)展的高精度、高速動(dòng)態(tài)觀測(cè)成為可能。吳順川等(2019)基于Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則分析巴西劈裂試驗(yàn)的啟裂點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)微裂紋最早集中于平臺(tái)末端，隨著荷載的增加致使試樣破裂的裂紋起始于試樣中部。徐紀(jì)鵬等(2020)對(duì)巴西劈裂試件的表面應(yīng)變場(chǎng)演化、起裂位置及裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明平板加載時(shí)滿足巴西劈裂試驗(yàn)的中心起裂條件。安定超等(2021)借助DIC和AE技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，通過描述微裂紋孕育發(fā)展過程，量化了圓盤試件的斷裂過程區(qū)長(zhǎng)度。

此外，國內(nèi)外巖石力學(xué)工作者用離散元數(shù)值模擬方法對(duì)巖石巴西劈裂的細(xì)觀演化和破裂模式進(jìn)行了深入研究。Funatsu et al. (2011)、Liu et al. (2018)利用UDEC軟件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)數(shù)值模擬，分別研究了試件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展過程和循環(huán)拉伸條件下的破壞模式。黃彥華等(2014)、叢宇等(2015)通過顆粒流程序PFC進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)敏感性分析，在此基礎(chǔ)上揭示巖樣裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，為揭示破壞機(jī)理提供依據(jù)。黃達(dá)等(2020)用顆粒流程序PFC對(duì)拉-壓應(yīng)力狀態(tài)下的脆性巖石強(qiáng)度特征及破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。

綜上所述，借助巴西劈裂試驗(yàn)以及離散元數(shù)值模擬手段，前人學(xué)者對(duì)完整巖石劈裂破壞的演化過程和破壞模式進(jìn)行了分析。劈裂破壞的能量過程，尤其是劈裂漸進(jìn)破壞過程中的能量演化特征研究結(jié)果較少。因此，本文開展花崗巖巴西劈裂試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與數(shù)字圖像相關(guān)方法分析試件的破裂演化過程。采用顆粒流程序PFC2D模擬試驗(yàn)過程，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析劈裂過程的能量釋放與耗散特征，為全面認(rèn)識(shí)完整巖石劈裂漸進(jìn)破壞過程提供參考。

1 試驗(yàn)方案與設(shè)備

試驗(yàn)所用花崗巖取自葉巴灘水電站下游邊坡，巖石較為致密，無裂紋。XRD結(jié)果顯示花崗巖由石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、云母構(gòu)成，占比分別為28.6%、23.6%、28.3%、19.5%。通過單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得該巖石抗壓強(qiáng)度為134.47MPa，彈性模量為41.2GPa，泊松比為0.294。按照國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)建議方法，將花崗巖加工為直徑50mm、厚度25mm的20個(gè)巴西劈裂試件。試驗(yàn)在紹興文理學(xué)院MTS-815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上完成的，如圖1所示。選用位移加載方式，采用0.005mm·s-1的位移速率控制軸向加載。

圖1 巴西劈裂試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖

巴西劈裂實(shí)驗(yàn)采用PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)儀以及2個(gè)Nano30傳感器監(jiān)測(cè)花崗巖試件的聲發(fā)射信號(hào)。試件的正面和背面中心處各設(shè)置一個(gè)聲發(fā)射傳感器，噪聲門檻值設(shè)定為35dB，采樣頻率為5M。在實(shí)驗(yàn)開始前，花崗巖試件表面噴涂人工散斑，利用高速攝像測(cè)試系統(tǒng)(IDT MotionPro)記錄各個(gè)加載時(shí)間階段試件表面散斑的灰度變化圖像。CCD相機(jī)的拍攝像素設(shè)置為2448×2050，拍攝頻率為5幀。整個(gè)試驗(yàn)過程聲發(fā)射與高速相機(jī)同步開始，保證花崗巖試件裂紋擴(kuò)展規(guī)律的內(nèi)外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 花崗巖裂紋演化特征

2.1 聲發(fā)射事件監(jiān)測(cè)

我們采用聲發(fā)射撞擊數(shù)和絕對(duì)能量2個(gè)參數(shù)對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。圖2為YBT-2試件在巴西劈裂過程中絕對(duì)能量、聲發(fā)射撞擊數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。

圖2 應(yīng)力、聲發(fā)射參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)聲發(fā)射撞擊數(shù)的變化特征，將試驗(yàn)過程分成4個(gè)階段。加載初期一段時(shí)間內(nèi)，試樣內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)很弱，處于一個(gè)平靜期(階段Ⅰ)。進(jìn)入第Ⅱ階段，聲發(fā)射撞擊數(shù)開始隨應(yīng)力的增加而增加，加載至峰值荷載70%左右(階段Ⅲ)，聲發(fā)射活動(dòng)逐漸頻繁，但變化幅度不大，絕對(duì)能量曲線仍舊平緩； 隨后聲發(fā)射撞擊數(shù)與應(yīng)力隨時(shí)間持續(xù)增加直至臨近破壞階段(階段Ⅳ)，聲發(fā)射事件和絕對(duì)能量曲線急劇陡增至峰值，應(yīng)力曲線陡降，試樣迅速破壞并釋放較大能量。

2.2 聲發(fā)射波形參數(shù)分布特征

聲發(fā)射的波形參數(shù)可以反映材料產(chǎn)生的破裂模式，其中平均頻率AF(kHz，定義為振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值)與RA值(ms·V-1，定義為上升時(shí)間與幅值的比值)兩個(gè)參數(shù)可以作為劃分巖石破裂形成模式的有效方法，目前已應(yīng)用于建筑材料的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中(Ohno et al.，2010)。聲發(fā)射事件具有較大的AF值與較小的RA值對(duì)應(yīng)張拉裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，反之則通常代表剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育(Aggelis， 2011； 何滿潮等， 2014； 王林均等， 2019)。

圖3為YBT-2花崗巖試件不同實(shí)驗(yàn)階段聲發(fā)射信號(hào)RA值與AF值的分布。試樣在裂隙壓密階段基本不產(chǎn)生聲發(fā)射事件； 進(jìn)入裂紋萌生階段，少量聲發(fā)射信號(hào)開始主要分布在低RA-高AF區(qū)，即張拉破裂； 隨后進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，產(chǎn)生的聲發(fā)射逐漸變多且歷時(shí)較短，信號(hào)主要分布在低RA-高AF區(qū)，開始出現(xiàn)少量高RA值、低AF值的聲發(fā)射信號(hào)，即以張拉破裂為主，生成少量剪切破裂； 隨后進(jìn)入峰后破壞階段，試件的破裂開始伴隨著大量高RA值、低AF值的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，即大量的剪切破裂在這一階段生成。實(shí)驗(yàn)不同階段的聲發(fā)射波形參數(shù)變化與內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)特征總結(jié)如表1所示。

圖3 聲發(fā)射RA值和AF值分布圖

表1 聲發(fā)射AF、RA值變化與內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)特征

2.3 聲發(fā)射b值分析結(jié)果

聲發(fā)射事件可認(rèn)為是一種微震活動(dòng)，通過地震震級(jí)及頻率的相關(guān)參數(shù)b值，分析巖石脆性破壞過程的破裂尺度特征(Hatton et al.， 1993； 趙建軍等， 2019)。當(dāng)b值越大，說明事件中小破裂事件占較大比例，反之則說明大破裂事件占據(jù)主導(dǎo)(Carpinteri et al.， 2009； 李元輝等， 2009)。

采用Gutenberg et al. (1950)提出的地震活動(dòng)震級(jí)與頻度的G-R關(guān)系式：

lgN=a-bM

(1)

式中：M為震級(jí)，考慮到聲發(fā)射震級(jí)與地震震級(jí)的尺度差距，聲發(fā)射中通?？捎肕=AdB/20(Grosse et al.， 2008)來表示，AdB為振幅；N為信號(hào)幅值大于門檻值的聲發(fā)射撞擊數(shù)；a為常數(shù)；b通常被稱作b值，其變化規(guī)律可作為能量釋放劇烈程度和震級(jí)尺度的重要指標(biāo)。

采用最小二乘法來計(jì)算YBT-2試件獲取的聲發(fā)射信號(hào)b值。如圖4所示，由于裂紋壓密階段無聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，b值從1.1降到0.19； 隨后b值在Ⅱ階段基本保持在0.19左右呈現(xiàn)較小波動(dòng)，試件處于彈性形變階段； 隨著荷載的增加，b值開始增大，且波動(dòng)程度逐漸變大，說明小尺度微裂紋所占比例開始增加； 在Ⅲ階段b值快速上升至1.8，表明內(nèi)部小裂紋聚集發(fā)展； 隨后，b值快速下降，大尺度微裂紋所占的比例開始增加，花崗巖試件呈現(xiàn)出失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)； 在試件臨近宏觀破壞時(shí)，聲發(fā)射b值下降至1.35。

圖4 YBT-2試件應(yīng)力和b值隨時(shí)間變化曲線

3 PFC2D 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

按照XRD測(cè)定的礦物占比，利用PFC2D建立劈裂試件幾何模型，顆粒間接觸采用平行黏結(jié)模型。根據(jù)花崗巖不同礦物強(qiáng)度相對(duì)大小關(guān)系，以斜長(zhǎng)石的平行黏結(jié)模量、黏結(jié)強(qiáng)度為基本值，將石英、鉀長(zhǎng)石、云母顆粒的平行黏結(jié)模量、黏結(jié)強(qiáng)度分別取為斜長(zhǎng)石的1.2倍、0.9倍與0.4倍(韓振華等， 2019)，建立如圖5所示的數(shù)值模型。通過內(nèi)嵌FISH語言對(duì)頂部和底部墻體施加速度實(shí)現(xiàn)加載，模擬巴西劈裂試驗(yàn)中的邊界條件(Potyondy， 2007)。設(shè)置試樣瞬時(shí)應(yīng)力下降到峰值應(yīng)力的70%時(shí)停止加載。

圖5 PFC2D 模擬巴西劈裂加載示意圖

3.2 細(xì)觀參數(shù)的驗(yàn)證

所有顆粒隨機(jī)生成，最小顆粒半徑取Rmin=0.20mm，粒徑比取Rmax/Rmin=1.66。通過對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模型的宏觀力學(xué)特性，校正接觸模型細(xì)觀參數(shù)，最終選取了一組最符合花崗巖室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)?；◢弾r巴西劈裂試驗(yàn)與模擬的力學(xué)參數(shù)對(duì)比如表2所示，數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)如表3所示。

表2 試驗(yàn)與模擬的力學(xué)參數(shù)對(duì)比

表3 數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)

將選取的細(xì)觀參數(shù)用于顆粒流程序進(jìn)行花崗巖巴西劈裂數(shù)值模型試驗(yàn)。為了驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)的合理性，將數(shù)值試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)得到的破裂模式以及應(yīng)力-時(shí)間曲線及破裂模式進(jìn)行對(duì)比。破裂后的塊體在圖6中用不同顏色來表示，主要形成左右兩塊破碎塊體。如圖7顯示，由于數(shù)值模型不存在原生裂隙，應(yīng)力-時(shí)間曲線沒有原生裂隙壓密閉合階段。總體上，PFC數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)的宏觀破壞相近。PFC數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，抗拉強(qiáng)度的相對(duì)誤差為1.2%，可認(rèn)為數(shù)值模型具有一定的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了該組細(xì)觀參數(shù)的合理性。

圖6 花崗巖巴西劈裂試驗(yàn)破裂模式

圖7 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間曲線

3.3 PFC計(jì)算結(jié)果

巖石受力后的宏觀破裂模式往往與其內(nèi)部細(xì)觀裂紋擴(kuò)展緊密相關(guān)。當(dāng)顆粒之間的法向拉力或者切向力超過了相應(yīng)的法向或者切向黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，顆粒間的黏結(jié)產(chǎn)生張拉斷裂或者剪切斷裂，如圖8所示。

圖8 巴西劈裂試驗(yàn)兩種斷裂模式

對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值模型的破壞過程也可分為裂隙壓密、裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、峰后破壞4個(gè)階段。由圖9可以得出，在裂隙壓密階段幾乎沒有裂紋產(chǎn)生； 裂紋萌生階段開始產(chǎn)生少量裂紋，剪切裂紋的產(chǎn)生稍晚于張拉裂紋，且數(shù)量較少。進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，張拉裂紋開始穩(wěn)定擴(kuò)展，裂紋占比逐漸上升，剪切裂紋緩慢增長(zhǎng)； 隨著應(yīng)力達(dá)到峰值，裂紋加速擴(kuò)展，進(jìn)入峰后階段，張拉裂紋數(shù)量急劇增加，剪切裂紋占比明顯上升。最終產(chǎn)生的張拉和剪切裂紋的比例約為9︰1，形成完整的一條貫通試樣表面的宏觀裂紋。

圖9 數(shù)值模型試驗(yàn)裂紋變化

綜上所述，由于顆粒數(shù)目等因素的限制，數(shù)值模型試驗(yàn)的裂紋演化與實(shí)際劈裂試驗(yàn)過程有出入，但是4個(gè)階段的裂紋發(fā)展趨勢(shì)是符合實(shí)際規(guī)律的。

4 破壞過程對(duì)比分析

本節(jié)通過DIC獲得花崗巖試件破裂形態(tài)的高清圖像，結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)與PFC模擬歸納的微破裂規(guī)律，建立水平應(yīng)變場(chǎng)的空間分布及聲發(fā)射b值與花崗巖圓盤裂紋發(fā)展趨勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.1 宏觀破壞過程分析

通過DIC獲取試件水平應(yīng)變場(chǎng)的空間分布，從宏觀角度驗(yàn)證聲發(fā)射b值的裂紋演化結(jié)果。如圖10所示，圖中a、b點(diǎn)反映了裂隙壓密階段和裂紋萌生階段，應(yīng)變場(chǎng)無明顯集中現(xiàn)象，試件表面在該階段無明顯裂紋產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)b值在階段Ⅰ-Ⅱ的變化規(guī)律。隨著應(yīng)力的增大，試樣在裂紋擴(kuò)展階段開始出現(xiàn)對(duì)稱性分布的應(yīng)變集中帶。在階段Ⅲ后期，試件表面的應(yīng)變集中區(qū)域范圍擴(kuò)大。如c點(diǎn)所示，靠近圓盤的中心位置應(yīng)變值較大，遠(yuǎn)離圓盤中心位置的應(yīng)變值較小，此時(shí)微裂紋增殖后形成宏觀裂紋，對(duì)應(yīng)b值在階段Ⅲ增大到1.8后急劇減小。到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，試件在中心位置形成宏觀裂紋并貫穿圓盤，試件發(fā)生劈裂破壞。

圖10 巴西劈裂試驗(yàn)水平方向應(yīng)變場(chǎng)變化

4.2 細(xì)觀破壞過程分析

通過聲發(fā)射信號(hào)分析試件的細(xì)觀破壞過程，在階段Ⅰ試件內(nèi)部原生微裂隙產(chǎn)生摩擦與閉合，聲發(fā)射處于相對(duì)平靜期。隨著荷載增加，試件在階段Ⅱ內(nèi)部微裂紋開始萌生，聲發(fā)射能量曲線平緩增長(zhǎng)。聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線在階段Ⅲ增長(zhǎng)速率加快，微裂紋加速產(chǎn)生，能量從緩慢釋放變?yōu)橥蝗会尫拧＿M(jìn)入峰后階段，微裂紋連接貫通形成宏觀破裂面。從圖2聲發(fā)射參數(shù)曲線可以得出，聲發(fā)射參數(shù)的增長(zhǎng)在時(shí)間上對(duì)應(yīng)了圖9中的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，說明試驗(yàn)聲發(fā)射規(guī)律和PFC數(shù)值模擬中裂紋擴(kuò)展規(guī)律呈現(xiàn)髙度的一致性。

圖9展現(xiàn)了不同破壞階段對(duì)應(yīng)不同的裂紋演化特征。在裂隙壓密階段，顆粒之間接觸力小于顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度，試樣內(nèi)部無裂紋產(chǎn)生。隨著加載的進(jìn)行，顆粒間接觸力超過黏結(jié)強(qiáng)度，模型在裂紋萌生階段開始產(chǎn)生少量裂紋。在裂紋擴(kuò)展階段，越來越多顆粒間接觸力超過黏結(jié)強(qiáng)度，裂紋開始穩(wěn)定擴(kuò)展。應(yīng)力達(dá)到最大值附近時(shí)，裂紋加速擴(kuò)展，進(jìn)入峰后階段，裂紋在極短的時(shí)間內(nèi)數(shù)量急劇增加，形成宏觀裂紋。整個(gè)過程中張拉裂紋出現(xiàn)早于剪切裂紋，占比遠(yuǎn)大于剪切裂紋。因此，劈裂破壞過程以張拉為主剪切為輔，張拉破壞貫穿整個(gè)破壞過程，最終破壞模式為張剪混合型，這與表1聲發(fā)射參數(shù)變化特征是一致的。

4.3 能量演化分析

巖石失穩(wěn)破壞與耗散能和可釋放應(yīng)變能這兩種能量的演化存在密切聯(lián)系。謝和平等(2008)， 張國凱等(2015)假設(shè)巖石受力過程與外界沒有進(jìn)行熱交換，外力功所產(chǎn)生的總輸入能量為U，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：

U=Ud+Ue

(2)

式中：Ud為耗散能；Ue可釋放應(yīng)變能。

邊界能作為總的能量來源，是試件模型在加載過程中所做的功。PFC模擬中將黏結(jié)能和應(yīng)變能之和記作總應(yīng)變能(張學(xué)朋等， 2014)。根據(jù)能量守恒定律，定義耗散能=邊界能-可釋放應(yīng)變能。整個(gè)壓縮階段顆粒動(dòng)能和摩擦能占系統(tǒng)能量比例極小，故不做具體分析。

利用聲發(fā)射能量曲線分析試件應(yīng)變能的釋放特征。在裂隙壓密和裂紋萌生階段，試件應(yīng)變能不斷增長(zhǎng)，內(nèi)部損傷和缺陷較小，聲發(fā)射活動(dòng)很弱，無高能量信號(hào)產(chǎn)生。裂紋擴(kuò)展階段，試件內(nèi)部微裂紋不斷擴(kuò)展和貫通，聲發(fā)射能量曲線在經(jīng)歷平靜期后突然迅速上升直至峰值，應(yīng)變能以彈性波的方式快速、劇烈釋放。

試驗(yàn)數(shù)值模擬的能量演化過程如圖11所示，在裂隙壓密階段，邊界能和應(yīng)變能曲線變化趨勢(shì)幾乎一致，邊界能全部轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能，基本無能量耗散。試件吸收的能量持續(xù)增大，在裂紋萌生階段產(chǎn)生少量裂紋，邊界能和應(yīng)變能增長(zhǎng)速率也逐漸增大，并開始出現(xiàn)能量耗散。此后，處于裂紋擴(kuò)展階段的試件內(nèi)部能量明顯積聚，耗散能較小且基本保持不變。在即將到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)，邊界能與應(yīng)變能曲線開始出現(xiàn)分離，耗散能增長(zhǎng)速率開始增大。在達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn)后巖石內(nèi)儲(chǔ)存的總應(yīng)變能增長(zhǎng)至極限狀態(tài)，由于微裂紋擴(kuò)展進(jìn)一步加速，且顆粒間相對(duì)滑移變大，到達(dá)極限的總應(yīng)變能快速下降，邊界能繼續(xù)增加。應(yīng)變能的迅速釋放及邊界能的持續(xù)增加，導(dǎo)致耗散能占總能量的比例逐漸增大，且增長(zhǎng)速率較快，巖石試樣發(fā)生破壞。整個(gè)加載過程中總應(yīng)變能始終大于耗散能。

圖11 能量演化規(guī)律

綜合上述試驗(yàn)漸進(jìn)破壞過程與能量演化規(guī)律(表4)，花崗巖的劈裂試驗(yàn)在裂隙壓密階段內(nèi)部的原生裂紋閉合，邊界能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能儲(chǔ)存； 裂紋萌生階段開始出現(xiàn)裂紋生長(zhǎng)并伴隨少量能量耗散； 處于裂紋擴(kuò)展階段的試件內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展貫通形成主裂紋，耗散能擴(kuò)散增速應(yīng)變能開始釋放； 峰后階段應(yīng)變能快速釋放，耗散能比例逐漸增大，大量的微裂紋在主裂紋富集，形成最終破壞。

表4 裂紋擴(kuò)展演化過程中的能量特征

5 結(jié) 論

本文結(jié)合基于聲發(fā)射和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)的室內(nèi)試驗(yàn)與基于顆粒流軟件PFC2D的數(shù)值試驗(yàn)，研究了花崗巖在巴西劈裂作用下的裂紋擴(kuò)展演化過程及規(guī)律。通過對(duì)結(jié)果的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)在描述花崗巖劈裂破壞的變化趨勢(shì)上具有較好的一致性。試樣經(jīng)歷了裂隙壓密、裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、峰后破壞等4個(gè)階段。微裂紋的萌生、增殖以張拉破壞模式為主，擴(kuò)展過程中伴隨剪切貫通形成宏觀裂紋并最終發(fā)生破壞。

(2)對(duì)比聲發(fā)射b值和DIC結(jié)果，試樣在裂紋萌生階段開始出現(xiàn)微裂紋，水平應(yīng)變場(chǎng)沒有變化。在裂紋擴(kuò)展階段，微裂紋增殖且增長(zhǎng)速度加快，微裂紋相互連接、貫通并形成宏觀主裂面，此時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變集中區(qū)域且范圍逐漸擴(kuò)大； 在峰后破壞階段，大量新裂紋快速產(chǎn)生、集聚，并在主裂面附近富集，形成宏觀裂紋。

(3)劈裂各階段的能量變化與巖石的漸進(jìn)破壞過程存在著相互對(duì)應(yīng)的發(fā)展關(guān)系，主要包括峰前階段能量積聚和峰后階段能量迅速釋放。試件在裂紋萌生前，其外力所做功幾乎全部轉(zhuǎn)化為可釋放應(yīng)變能； 在進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，可釋放應(yīng)變能開始減小，外力所做功開始出現(xiàn)能量的耗散與釋放，導(dǎo)致微裂紋數(shù)量增多； 臨近破壞應(yīng)變能快速釋放，耗散能比例逐漸增大，裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致試樣破壞，整個(gè)加載過程中總應(yīng)變能始終大于耗散能。