基于PIV技術(shù)的貫通單裂隙巖體壓-剪破壞特征試驗(yàn)*

王文學(xué) 蘇凌煜 薛景元 郝清揚(yáng) 姜 彤

(①華北水利水電大學(xué)河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450046， 中國(guó)) (②華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450046， 中國(guó))

0 引 言

采動(dòng)裂隙巖體誘發(fā)突水潰砂事故是深部煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中主要的地質(zhì)災(zāi)害之一(王文學(xué)等， 2013， 2014)。在一些老礦區(qū)，開采深度達(dá)上千米，在由此產(chǎn)生的高地應(yīng)力條件下，礦井突水問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了高產(chǎn)高效礦井建設(shè)。隋旺華等(2019)從突水水源、導(dǎo)水通道以及采掘活動(dòng)3個(gè)致災(zāi)危險(xiǎn)源出發(fā)，結(jié)合礦山突水潰砂災(zāi)害、底板突水實(shí)例，對(duì)礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究，指出巖體工程地質(zhì)力學(xué)在煤礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究中的重要指導(dǎo)作用。大量已有研究表明，深部采動(dòng)斷裂巖體裂隙擴(kuò)展變化不僅改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)，降低其強(qiáng)度和變形模量，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重影響巖體的滲透性質(zhì)，可導(dǎo)致嚴(yán)重的深部礦井災(zāi)害(李化敏等， 2006； 謝和平等， 2015)； 而且采動(dòng)斷裂巖(塊)體間的垂直方向主控裂隙演化特征是預(yù)測(cè)及防治礦井突水潰砂災(zāi)害的理論基礎(chǔ)。因此，研究采動(dòng)斷裂巖塊受壓變形及導(dǎo)水裂隙閉合-擴(kuò)展演化特征對(duì)深部礦井災(zāi)害的防治具有重要實(shí)用意義。

以往對(duì)于斷裂巖體受壓變形特征研究中，單軸和三軸壓縮模型試驗(yàn)顯示裂隙的存在使試件強(qiáng)度顯著降低，試件中有無(wú)裂隙對(duì)其強(qiáng)度的影響明顯大于裂隙角度的影響(陳蘊(yùn)生等， 2007; 陳新等， 2011)； 斷續(xù)裂隙砂巖的力學(xué)參數(shù)與巖橋傾角密切相關(guān)，在75°～90°范圍內(nèi)，峰值強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)(楊圣奇， 2013；黃彥華等， 2014)； 預(yù)制單裂隙試件的破壞形式既有沿結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)剪切破壞，也有試件自身的剪切破壞，當(dāng)裂隙尺寸較小時(shí)，還將產(chǎn)生裂隙重置后沿新結(jié)構(gòu)面的剪切效應(yīng)(肖桃李等， 2012)； 趙建軍等(2019)對(duì)凍融作用下的裂隙巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨著裂縫長(zhǎng)度增大而不斷降低，凍融后試樣相對(duì)于凍融前破壞后更加松散破碎，伴隨著大量巖粉、礦物顆粒的產(chǎn)生。而對(duì)于不同長(zhǎng)度裂隙試樣，隨著裂隙長(zhǎng)度增長(zhǎng)，試樣破碎程度提高，且破壞模式更為復(fù)雜; 唐紅梅等(2016)對(duì)砂漿裂隙試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析裂隙傾角和長(zhǎng)度的關(guān)系，指出當(dāng)裂隙長(zhǎng)度相同時(shí)，初裂強(qiáng)度隨傾角的增加而增加，且傾角由60°增加到 75°，初裂強(qiáng)度增加得更快; 當(dāng)裂隙傾角一定時(shí)，初裂強(qiáng)度隨裂隙長(zhǎng)度的增加而降低。

預(yù)制單裂隙試件在裂隙初始斷裂時(shí)具有明顯的前兆信息，在全應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力下降現(xiàn)象(劉偉韜等， 2016)； 單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，不同張開度的預(yù)制單裂隙試件峰值強(qiáng)度隨著裂隙張開度的增大表現(xiàn)出先增大后減小，最后維持穩(wěn)定(牛江瑞等， 2016)； 單裂隙試件的裂隙張開度越大，試件峰值強(qiáng)度越小，試件在峰值強(qiáng)度后更容易起裂，試件的極限應(yīng)變逐漸減小(先超， 2014)； 蒲成志等(2011， 2019)研究不同開度的水平裂隙試件指出，開度較大時(shí)水平裂隙中部材料受橫向拉伸時(shí)微裂紋出現(xiàn)，此時(shí)裂紋尖端附近漸進(jìn)應(yīng)力分布理論不再適用； 單軸壓縮試驗(yàn)顯示不同張開度的水平裂隙在同一預(yù)制裂隙長(zhǎng)度下，隨著裂隙張開度的減小，微裂紋萌生位置由預(yù)制裂隙中部向尖端轉(zhuǎn)移(曾佳君等， 2020)。陳鵬宇(2018)總結(jié)了裂隙巖石二維顆粒流數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀指出當(dāng)前研究中仍存在許多不足：裂隙巖石的PFC2D模型并未考慮斷裂韌帶是否符合實(shí)際、平行黏結(jié)模型模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)存在差異、模擬裂隙與真實(shí)裂隙存在差異。

PIV技術(shù)可以更好地監(jiān)測(cè)裂隙巖體試樣壓-剪破壞特征。Gent et al. (2010)指出PIV技術(shù)是一種很好地量化研究相似材料模型試驗(yàn)中裂隙發(fā)育的方法； White et al.(2003)將PIV技術(shù)應(yīng)用于巖土工程試驗(yàn)測(cè)試中，提高了巖土體變形量的監(jiān)測(cè)精度。馬少鵬等(2006)借助數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)研究了試件破壞全過(guò)程的表面變形場(chǎng)，指出拉應(yīng)力集中部位將會(huì)先發(fā)生局部化現(xiàn)象，巖石內(nèi)部微裂隙集中產(chǎn)生局部化帶，局部化帶最終演化為宏觀裂紋使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。馬永尚等(2017)根據(jù)全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D可以判斷巖石裂紋擴(kuò)展演化的情況; 裂紋的演化具有強(qiáng)烈的非線性特征，在試樣接近破壞時(shí)形成的“X”型對(duì)稱變形局部化帶，最終只形成一條宏觀破壞帶，荷載方向、巖石結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的非均勻性都會(huì)對(duì)最終宏觀破裂帶的位置產(chǎn)生影響。

目前，對(duì)于深部采動(dòng)斷裂巖體的力學(xué)特性以及貫通裂隙演化破壞的相關(guān)試驗(yàn)研究比較少。本文基于深部采動(dòng)覆巖裂隙巖體的裂隙發(fā)育特征概化出一種貫通單裂隙巖體試樣模型。通過(guò)PIV監(jiān)測(cè)技術(shù)開展了預(yù)制貫通單裂隙巖體的壓-剪破壞特征試驗(yàn)研究。以90°裂隙傾角為例，重點(diǎn)分析裂隙開度對(duì)裂隙試件壓-剪強(qiáng)度，以及貫通裂隙擴(kuò)展變形的影響，研究結(jié)果對(duì)深部裂隙巖體受壓變形破壞機(jī)理、貫通導(dǎo)水裂隙演化和涌水量的預(yù)測(cè)防治有重要意義。

1 貫通單裂隙巖體試件模型及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 模型概化

深部地下工程水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜，其地應(yīng)力高、水壓高、溫度高，并且地下工程擾動(dòng)形成的斷裂巖體含有多種形式的貫通裂隙，斷裂巖體受壓變形或受后期工程的再次擾動(dòng)將驅(qū)動(dòng)巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙再次發(fā)育、擴(kuò)展、破裂貫通，形成新的導(dǎo)水裂隙，進(jìn)而誘發(fā)突水潰砂等重大問(wèn)題。如圖 1所示，斷裂巖體與周圍巖體存在一定鉸接，錯(cuò)動(dòng)變形過(guò)程容易產(chǎn)生錯(cuò)斷變形破壞，而貫通裂隙開度在受壓過(guò)程中的演化將直接影響導(dǎo)水裂隙的發(fā)育，對(duì)突水潰砂有重要影響。

圖 1 開采斷裂巖體貫通裂隙示意圖Fig. 1 Indication diagram of penetrating cracks in fractured rock mass

基于此，斷裂巖體可以用兩側(cè)膠結(jié)中間貫通的單裂隙試件來(lái)模擬，通過(guò)控制裂隙開度來(lái)反映不同工況下的斷裂巖體。煤層開采為斷裂巖體提供向下移動(dòng)變形空間，斷裂巖體在其上覆巖層的自重影響下受壓下，在其下方有垂直方向變形空間，斷裂巖體與周圍鉸接或咬合塊體間可形成壓-剪錯(cuò)動(dòng)變形，進(jìn)而影響斷裂巖體內(nèi)裂隙開度或產(chǎn)生新的裂隙，這對(duì)采動(dòng)斷裂巖體突水涌水量變化具有重要意義。

為反映上述斷裂巖體特征，概化出如圖 2所示貫通單裂隙巖體模型，試件總高度120mm，長(zhǎng)寬均為100mm。貫通裂隙位于試件中部，裂隙寬度為80mm，與試件左右邊界相距10mm。為使試件能沿預(yù)制貫通裂隙面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞，分別在試件上下預(yù)留5mm的剪切空間。

圖 2 貫通單裂隙巖體試件示意圖Fig. 2 Schematic diagram of single-through fractured rock mass specimen a. 側(cè)視圖； b. 俯視圖

1.2 試驗(yàn)方案及試件制作

1.2.1 試驗(yàn)方案

研究不同開度的預(yù)制貫通單裂隙巖體試件在單軸壓縮條件下的破壞過(guò)程，預(yù)制裂隙的傾角為90°，開度分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm。如圖 3所示，單軸壓縮破壞試驗(yàn)在CMT4000型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)統(tǒng)一采用位移控制的加載方式，加載速率為0.5mm·min-1。采用PIV技術(shù)監(jiān)測(cè)試件表面位移矢量，拍攝頻率10Hz·s-1，同時(shí)通過(guò)DH3821采集儀和YWD-50型位移傳感器監(jiān)測(cè)單軸加載過(guò)程中的試件左右兩側(cè)的側(cè)向位移情況。

圖 3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig. 3 Test model diagram

1.2.2 粒子成像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)

粒子成像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)和配套的電腦以及圖像處理程序構(gòu)成。高速攝像機(jī)最快采集速率可達(dá)到14張/秒。高速攝像機(jī)用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中巖樣表面變形破壞過(guò)程。粒子成像測(cè)速系統(tǒng)的基本原理：首先，PIV把采集的圖像劃分為許多網(wǎng)格窗口。然后，依據(jù)互相關(guān)算法，在選取的兩幀圖像間進(jìn)行窗口匹配，匹配窗口中心點(diǎn)的位移和方向，即代表此窗口內(nèi)粒子的平均位移和方向。

1.2.3 試樣配比及力學(xué)性質(zhì)

基于一系列室內(nèi)配合比試驗(yàn)，最終按照水︰石膏︰C42.5水泥︰石英砂=4︰1︰3︰6(質(zhì)量比)來(lái)配置類巖石材料。按照配合比所制作完整圓柱類巖石試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 4所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征，峰后破壞呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。其基本物理力學(xué)參數(shù)見表 1。

圖 4 完整圓柱試件的單軸抗壓強(qiáng)度曲線Fig. 4 Uniaxial compressive strength curve of cylindrical specimens

表 1 相似材料基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of similar materials

1.2.4 預(yù)制裂隙試件制作

預(yù)制試件的尺寸為100mm×100mm×120mm(長(zhǎng)×寬×高)，在完整方形試件的基礎(chǔ)上，在試件的頂面和底面分別對(duì)稱做出5mm高度的臺(tái)階，預(yù)留壓-剪空間，同時(shí)預(yù)制傾角為90°，寬度為80mm的不同開度的貫通裂隙，如圖 5所示。

圖 5 貫通單裂隙試件示意圖(左為側(cè)視圖，右為俯視圖)Fig. 5 Schematic diagram of single-through fractured specimen (left side view， right top view)

圖 6 不同開度預(yù)制裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress-strain curves of pre-crack specimens with different openings

試驗(yàn)過(guò)程中在上下對(duì)稱位置5mm的臺(tái)階位置墊上橡膠墊，用以模擬深部斷裂巖體下方垮落巖塊變形特征。橡膠的彈性模量E，主要取決于橡膠材料的硬度，不因橡膠的種類和成分的不同發(fā)生明顯變化。E與HS的關(guān)系用下式計(jì)算：

E=0.315e0.03HS

(1)

式中：E為彈性模量；HS為邵爾硬度。所選橡膠的HS為61。計(jì)算得橡膠的彈性模量為2.19MPa，小于相似材料的彈性模量。

2 裂隙開度對(duì)預(yù)制貫通單裂隙試件力學(xué)特性的影響

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度特征

由圖 6可知，裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線包含了3個(gè)顯著的特征應(yīng)力指標(biāo)：裂隙起始應(yīng)力σci、裂隙破壞應(yīng)力σcd、峰值應(yīng)力σf。

OA段主要發(fā)生的是試件兩側(cè)膠結(jié)體的錯(cuò)斷，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為裂隙起始應(yīng)力σci，在A點(diǎn)出現(xiàn)了試件兩側(cè)膠結(jié)體的初始斷裂，出現(xiàn)了應(yīng)力下降現(xiàn)象，與劉偉韜等(2016)的研究結(jié)果相符； AB段為試件進(jìn)一步錯(cuò)斷和試件內(nèi)部裂隙的萌生發(fā)育階段，其中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為裂隙破壞應(yīng)力，AB段應(yīng)力水平很快上升中間并未出現(xiàn)明顯下降，這是因?yàn)橄鹉z墊受壓出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象導(dǎo)致強(qiáng)度提高，可以類比垮落巖塊壓密，壓縮模量升高，產(chǎn)生應(yīng)變硬化，承載能力增強(qiáng)； BC段為試件內(nèi)部不穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展階段，此階段不穩(wěn)定裂隙快速生成、發(fā)育、擴(kuò)展，試件內(nèi)部微裂隙快速連接貫通； C點(diǎn)之后為峰后破壞階段，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為峰值應(yīng)力，在應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度σf時(shí)試件完全破壞，進(jìn)入峰后破壞階段。

隨著裂隙開度的增加，裂隙試件的峰值強(qiáng)度明顯減小。在峰后破壞區(qū)，隨著裂隙開度的增加，裂隙試件峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的多臺(tái)階下跌現(xiàn)象越發(fā)明顯，由直線下跌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下跌。可以看出試件的塑性增加，變形能力增強(qiáng)，破壞形式逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

由圖 7可知，OA段總體來(lái)看隨著開度的增大，裂隙起始應(yīng)力不斷減小，其裂隙起始應(yīng)力增長(zhǎng)幅度不斷減少，應(yīng)變不斷增大，說(shuō)明試件兩側(cè)膠結(jié)體的斷裂破壞時(shí)間延后，裂隙試件的塑性變形增強(qiáng)。

圖 7 初始裂隙萌生、發(fā)育、擴(kuò)展過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Stress-strain curve of initial fracture initiation， development and expansion process

圖 8 裂隙試件的裂隙起始應(yīng)力及破壞應(yīng)力統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Statistics of crack initiation stress and failure stress of fractured specimens

裂隙起始應(yīng)力σci、裂隙破壞應(yīng)力σcd、以及峰值應(yīng)力σf這3個(gè)特征應(yīng)力值展現(xiàn)了裂隙試件單軸壓縮過(guò)程中各個(gè)階段的變化特征。從圖 8可得知，隨著裂隙開度的增加裂隙起始應(yīng)力逐漸減少，變化幅度全過(guò)程較為一致。但是所有裂隙試件的裂隙起始應(yīng)力σci明顯小于0.4σf，可見預(yù)制裂隙會(huì)明顯降低試件的裂隙起始應(yīng)力，與前人研究結(jié)果相符(Tapponier et al.， 1976)。裂隙開度對(duì)裂隙破壞應(yīng)力σcd和峰值強(qiáng)度σf的影響類似，即隨裂隙開度的增大，裂隙破壞應(yīng)力越小，變化過(guò)程由急劇變緩慢。由表 2可知，開度為0.5mm時(shí)，σcd/σf約為0.79，符合脆性巖石的強(qiáng)度特征。說(shuō)明預(yù)制裂隙開度處于較低水平時(shí)對(duì)試件的裂隙破壞應(yīng)力的影響特別小。

圖 9 巖石單元應(yīng)力狀態(tài)Fig. 9 Stress state of rock element

圖 10 裂隙試件的軸向峰值應(yīng)變和橫向峰值應(yīng)變統(tǒng)計(jì)Fig. 10 Statistics of axial peak strain and transverse peak strain of fractured specimens

表 2 不同開度預(yù)制裂隙試件的特征應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of characteristic stress values of prefabricated crack specimens with different openings

莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則是目前巖石力學(xué)中最常用的強(qiáng)度理論，根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，材料內(nèi)某一點(diǎn)的破壞主要取決于它的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力，即σ1和σ3。

為了計(jì)算的方便，常用大主應(yīng)力和小主應(yīng)力，即σ1和σ3，來(lái)表示莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，滑動(dòng)面或剪切面的正應(yīng)力即σ和τ，可寫作：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σ和τ分別為剪切面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力(MPa)；σ1和σ3為大、小主應(yīng)力(單軸壓縮狀態(tài)σ3為0)(MPa)；α為σ3方向與滑動(dòng)所在面傾角(°)；φ為巖石試件內(nèi)摩擦角(°)；τc為試件兩側(cè)膠結(jié)部位開始斷裂的強(qiáng)度(MPa)。

圓柱試件的單軸抗壓強(qiáng)度為2.80MPa，其滑動(dòng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力依照上式計(jì)算分別為0.963MPa和1.376MPa，說(shuō)明在達(dá)到裂隙破壞應(yīng)力前試件兩側(cè)膠結(jié)體已經(jīng)發(fā)生了完全剪切錯(cuò)斷?？紤]到預(yù)制裂隙傾角為90°，前期受壓過(guò)程中應(yīng)是兩側(cè)膠結(jié)部位率先破壞，在裂隙巖體膠結(jié)部位體現(xiàn)為剪應(yīng)力造成的剪切破壞。將σf帶入式(2)和式(5)計(jì)算可得， 0.5mm-2mm試件的τc分別為0.295MPa、0.270MPa、0.254MPa、0.223MPa，與σci值相仿，說(shuō)明裂隙試件內(nèi)部?jī)蓚?cè)膠結(jié)部位已經(jīng)沿著預(yù)制90°裂隙面發(fā)生了剪切破壞。同時(shí)隨著裂隙開度的增大，試件內(nèi)部發(fā)生剪切破壞時(shí)間隨之提前，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.2 變形特征

裂隙試件峰值強(qiáng)度σf所對(duì)應(yīng)的軸向峰值應(yīng)變以及橫向峰值應(yīng)變可以很好地反映試件的變形特征，因此對(duì)不同開度的預(yù)制裂隙試件的軸向峰值應(yīng)變以及橫向峰值應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖 10所示。

圖 11 裂隙試件橫向應(yīng)變統(tǒng)計(jì)Fig. 11 Transverse strain statistics of fractured specimens

隨著裂隙開度的增加，試件的軸向峰值應(yīng)變不斷減小，試件更快達(dá)到峰值應(yīng)力狀態(tài)，變化過(guò)程同峰值應(yīng)力變化相似，軸向峰值應(yīng)變下降速率由急劇下降向緩慢下降過(guò)渡。對(duì)比橫向峰值應(yīng)變，隨著裂隙開度增加，試件的橫向峰值應(yīng)變不斷減小，且減小幅度越來(lái)越大。這是因?yàn)殡S著裂隙開度的增加，試件兩端膠結(jié)部位破壞后，更容易沿著預(yù)制裂隙面發(fā)生剪切滑移破壞，導(dǎo)致了試件的橫向應(yīng)變?cè)龇絹?lái)越大。

由圖 11可知，在加載初期，不同開度試件的橫向應(yīng)變迅速上升，但在軸壓即將達(dá)到峰值以及峰值后表現(xiàn)出不同的形態(tài)。開度為0.5mm時(shí)，試件峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變最大，其橫向應(yīng)變的增大主要來(lái)源于裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，橫向應(yīng)變變化符合脆性巖石斷裂破壞特征。開度為1mm-2mm之間的預(yù)制裂隙試件的峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變?cè)谳^低水平，其橫向應(yīng)變的增大主要來(lái)源于峰后破壞階段。這是因?yàn)殡S著開度的增大，試件的破壞模式逐漸由拉伸剪切復(fù)合破壞向單一的剪切破壞轉(zhuǎn)變。開度的增大使得試件在膠結(jié)部位強(qiáng)度在試件總強(qiáng)度中占比增大，隨著試件膠結(jié)部位的剪切破壞，試件中的裂隙也更容易完全貫通，產(chǎn)生破壞。試件受剪成兩部分后繼續(xù)受壓，就導(dǎo)致了軸壓達(dá)到峰值后橫向應(yīng)變的持續(xù)增大。

圖 12 開度0.5mm預(yù)制裂隙試件矢量位移場(chǎng)演變過(guò)程Fig. 12 Evolution process of vector displacement field of 0.5mm prefabricated fracture specimen with 12 openings a. 裂隙萌生； b. 裂隙發(fā)育擴(kuò)展； c. 裂隙貫通

3 預(yù)制貫通單裂隙試件的破壞過(guò)程分析

3.1 位移矢量場(chǎng)分析

采用PIVview2C對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到試件表面矢量場(chǎng)，通過(guò)tecplot軟件處理得到試件表面的位移場(chǎng)。對(duì)試件表面的裂隙萌生、發(fā)育、擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，分析裂隙演化特征。矢量場(chǎng)箭頭顏色由藍(lán)到紅表示位移矢量不斷增大。通過(guò)將各個(gè)時(shí)刻試件表面圖像與其對(duì)應(yīng)的矢量場(chǎng)和位移場(chǎng)疊加分析其破壞過(guò)程。

如圖 12所示，分別是預(yù)制裂隙試件表面的裂隙演化圖，矢量場(chǎng)和位移場(chǎng)在單軸壓縮試驗(yàn)中的演變過(guò)程，試件中部為處理區(qū)域，黑線為明顯裂隙，紅線表示待發(fā)育裂隙。

圖 13 不同開度預(yù)制裂隙試件初始裂隙斷裂階段對(duì)比圖Fig. 13 Evolution process of vector displacement field of 2mm prefabricated crack specimen with opening a. 開度0.5mm； b. 開度1mm； c. 開度1.5mm； d. 開度2mm

以開度為0.5mm為例，在裂隙萌生階段，位移矢量主要集中在試件左側(cè)，位移矢量的方向指向斜下方且背離試件中部預(yù)制裂隙。位移等值線集中出現(xiàn)在試件中間區(qū)域，試件表面裂隙并不完全顯現(xiàn)，裂隙主要出現(xiàn)在試件中下部，可以推測(cè)出試件將發(fā)生沿試件中部預(yù)制裂隙的錯(cuò)斷剪切，裂隙將從試件中間萌生發(fā)育。裂隙萌生后發(fā)育擴(kuò)展，位移矢量進(jìn)一步增大，以試件中部裂隙為分界線左側(cè)位移矢量移動(dòng)方向?yàn)樾毕路奖畴x中部裂隙，右側(cè)靠近中部裂隙處的位移矢量場(chǎng)方向?yàn)樨Q直向下，遠(yuǎn)離中部裂隙處方向?yàn)橛倚毕路?。從位移?chǎng)可以看出，左側(cè)位移增大約為0.69，右側(cè)位移增大約為0.26，左側(cè)位移增大約為右側(cè)2.6倍。根據(jù)矢量場(chǎng)和位移場(chǎng)綜合考慮，試件將進(jìn)一步發(fā)生沿中部裂隙的錯(cuò)斷剪切之外，試件左側(cè)可能發(fā)生張拉破壞，產(chǎn)生平行于軸向的大裂隙。軸壓進(jìn)一步增大，試件進(jìn)入裂隙擴(kuò)展連通并達(dá)到峰值強(qiáng)度，矢量場(chǎng)中位移矢量變化與上一階段相仿。從位移場(chǎng)觀測(cè)，試件左側(cè)位移增大約0.31，右側(cè)位移增大約0.1，位移增量較之前明顯下降。這是因?yàn)樵嚰?nèi)部微裂隙重新壓密，再在應(yīng)力集中的過(guò)程中逐漸延伸裂隙，擴(kuò)展通道，待試件完全破壞時(shí)，試件內(nèi)部的微裂隙將會(huì)交互貫通并形成宏觀的張裂帶或剪切帶出現(xiàn)在試件表面，最終試件完全破壞。

圖 13主要對(duì)比不同開度的裂隙試件的初始裂隙斷裂階段的位移場(chǎng)?？梢钥匆?，在初始裂隙斷裂階段開度越大，試件表面萌生裂隙越多，萌生裂隙越明顯，且初始裂隙萌生部位逐漸由中下部向中上部轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)橄嗤瑧?yīng)力狀態(tài)下，裂隙開度的增大就使得試件膠結(jié)面強(qiáng)度降低，兩端膠結(jié)部位更容易發(fā)生剪切破壞，初始裂隙斷裂過(guò)程中更容易發(fā)生形變。從位移等值線圖來(lái)看，隨著開度的增大，其位移等值線由中心對(duì)稱分布向扇形分布轉(zhuǎn)變。這是由于開度的增大，試件的剪切錯(cuò)斷更容易發(fā)生，試件左右兩部分剪斷過(guò)程其兩部分間的摩擦力也在減小。同時(shí)，隨著開度的增大，在較低的應(yīng)力-應(yīng)變水平下試件易發(fā)生更大程度的變形，定義一個(gè)裂隙位移閾值k，達(dá)到該閾值k時(shí)才會(huì)產(chǎn)生宏觀裂隙，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm開度下的位移閾值k分別為： 0.175、0.129、0.105、0.009，很明顯開度的增大減小了位移閾值k。

(6)

式中：m為圖中明顯裂隙處位移等值線位移差；n為圖中明顯裂隙處位移等值線間的最小距離；λ為比例系數(shù)，是位移等值線圖中坐標(biāo)間距離與坐標(biāo)差值的比值，該圖為0.007。

圖 14 兩細(xì)觀顆粒間位移模式與黏結(jié)破壞 (岑奪豐等， 2014)Fig. 14 Displacement mode and bond failure between two microscopic particles a. T型位移； b. S型位移； c. X型位移

3.2 裂隙擴(kuò)展的細(xì)觀位移模式及力學(xué)性質(zhì)判斷

根據(jù)已有研究(岑奪豐等，2014)，本次試驗(yàn)結(jié)果主要符合3種破壞類型和對(duì)應(yīng)的位移模式。

箭頭表示顆粒的位移矢量，虛線表示位移沿切向和法向的分矢量。T型主要為拉破壞的位移模式，S型主要為剪切破壞的位移模式， X型主要為壓剪復(fù)合破壞的位移模式(圖14)(岑奪豐等， 2014)。

如圖 15，主要根據(jù)矢量場(chǎng)和裂隙形態(tài)來(lái)對(duì)裂隙進(jìn)行劃分。試件中部裂隙為試件表面受壓過(guò)程中率先萌生出的裂隙。開度0.5mm裂隙試件的破壞是由試件中部所萌生出的剪切裂隙分別延伸擴(kuò)展至試件的邊界，以及后期左側(cè)試件受壓產(chǎn)生拉伸裂隙并延伸至試件的頂、右邊界所導(dǎo)致的，包含拉伸破壞和剪切破壞。開度2mm的裂隙試件的破壞模式則較為簡(jiǎn)單，試件的破壞是由試件中部的剪切裂隙分別向試件的頂、底部延伸所導(dǎo)致的，為典型剪切破壞。由以上分析可知，裂隙開度增大會(huì)導(dǎo)致試件破壞模式的轉(zhuǎn)變，使其由拉伸剪切復(fù)合破壞逐漸向單一的剪切破壞轉(zhuǎn)變。

圖 15 不同開度裂隙試件完全破壞圖Fig. 15 Complete failure diagram of fractured specimens with different openings a. 開度0.5mm； b. 開度2mm

4 結(jié) 論

(1)裂隙開度會(huì)對(duì)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生顯著影響。初始裂隙斷裂時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象，隨著開度增加兩側(cè)膠結(jié)體的塑性變形增強(qiáng)； 同時(shí)隨著裂隙開度的增加，在峰后破壞區(qū)多臺(tái)階式下跌現(xiàn)象越來(lái)越明顯，裂隙試件塑性增強(qiáng)，破壞形式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

(2)裂隙開度的增加使得試件的壓-剪強(qiáng)度和裂隙破壞應(yīng)力會(huì)明顯降低。開度對(duì)試件的裂隙起始應(yīng)力影響較小，預(yù)制裂隙存在會(huì)明顯減少試件萌生裂隙的時(shí)間，且存在最弱影響開度，當(dāng)大于或小于這一開度值時(shí)，裂隙開度對(duì)試件壓-剪強(qiáng)度的影響程度均會(huì)增強(qiáng)。

(3)裂隙開度對(duì)試件的變形特征具有一定影響，隨著開度的增大，試件的峰值軸向應(yīng)變不斷減少，這是因?yàn)殚_度增加導(dǎo)致試件抵抗變形能力減弱從而使得試件在較低的應(yīng)力-應(yīng)變水平下就容易發(fā)生裂隙萌生貫通導(dǎo)致試件的破壞。0.5mm開度試件的橫向應(yīng)變與其他開度試件呈現(xiàn)不同的變化，這是因?yàn)榱严堕_度較小時(shí)，橫向應(yīng)變?cè)龃笾饕獊?lái)源于試件峰值破壞前。同時(shí)裂隙開度影響了試件膠結(jié)部位變形以及裂隙變形在試件總變形中所占比例，進(jìn)而影響了橫向應(yīng)變。

(4)借助PIV技術(shù)可以觀測(cè)到單軸壓縮試驗(yàn)的試件裂隙的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展的全過(guò)程，試件表面位移矢量場(chǎng)可以和萌生、發(fā)育和擴(kuò)展過(guò)程對(duì)應(yīng)，能較好地反映裂隙演化的過(guò)程。通過(guò)圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著開度增大，初始裂隙萌生部位由中下部向中上部轉(zhuǎn)移； 通過(guò)PIV技術(shù)得到的各階段位移場(chǎng)對(duì)比，表明試件表面裂隙產(chǎn)生需達(dá)到位移閾值k，裂隙開度增大可以減小位移閾值k。裂隙開度可以改變裂隙試件的破壞模式，隨著開度增大，試件由拉伸剪切復(fù)合破壞逐漸向單一的剪切破壞轉(zhuǎn)變。