裂紋角度對紅砂巖試樣局部化帶演化影響的試驗研究

原文杰

(中煤平朔發(fā)展集團， 山西 朔州 036006)

巖石的變形破壞往往伴隨著工程災(zāi)害的發(fā)生，研究巖石變形破壞演化規(guī)律有助于對工程災(zāi)害的發(fā)生機制進行科學(xué)認識。由于巖石材料的非均勻特性及內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)造成巖石在破壞過程中會產(chǎn)生非均勻變形(即局部化變形)，非均勻變形即局部化帶變形演化直接導(dǎo)致巖石的不同破壞形式。巖石在局部化形成后，其材料連續(xù)性被破壞，材料力學(xué)性能被弱化，研究局部化帶的變形演化規(guī)律對巖土工程狀態(tài)的預(yù)測預(yù)報和災(zāi)害的防治具有重要的理論意義。由于巖石材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的隨機性導(dǎo)致在相同的加載條件相同巖石材料試件的研究中，局部化帶演化規(guī)律往往不一樣，為此研究者們在試件的制備上人為制造相對宏觀的結(jié)構(gòu)-預(yù)制裂紋來研究其變形演化規(guī)律。針對裂紋巖樣的研究主要采用試驗研究、數(shù)值模擬及相似材料模擬等方法，其斷裂行為、裂紋擴展和貫通機制、裂紋巖石變形特性等方面均獲得了較為豐富的研究成果。

在試驗研究方面：宋義敏等[1]通過光測的觀測方法，對含I型裂紋的花崗巖進行了不同加載速率下的三點彎試驗，對裂紋的擴展速度、擴展角度以及初始擴展的應(yīng)力強度因子等進行了研究；Wu[2]和Bazant等[3]通過快速加載試驗機對大理巖、油頁巖、石灰?guī)r以及花崗巖開展了三點彎試驗，對幾種巖石的斷裂韌性進行了測試；楊圣奇[4]對含有連續(xù)3條裂紋的砂巖試樣開展了單軸壓縮試驗，分析總結(jié)了巖橋傾角對裂紋擴展模式等的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面：趙明等[5]利用改進剛體彈簧的方法，對均質(zhì)圓盤試件和預(yù)制裂紋圓盤試件的巴西劈裂過程進行了數(shù)值模擬，對比分析了兩種模型試件的破壞形態(tài)；王士民等[6]利用數(shù)值模擬方法對含初始裂紋脆性巖石的破壞規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋是巖石破壞的主要因素，巖石的不均勻性則為次生因素；王元漢等[7]采用RFPA巖石破裂過程分析軟件對預(yù)制裂紋大理石試樣的壓剪試驗進行數(shù)值模擬，對次生裂紋的擴展路徑進行了研究；朱萬成等[8]利用RFPA軟件對含有預(yù)制不同角度裂紋的巖石試樣進行了在動態(tài)載荷下的數(shù)值模擬，對比了試樣在動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷作用下的破壞區(qū)別；徐濤等[9]應(yīng)用巖石破裂過程分析系統(tǒng)(RFPA2D)，通過對非均質(zhì)巖石試樣在單軸壓縮下?lián)p傷演化過程的數(shù)值模擬，研究了巖石變形破裂過程中的損傷演化和損傷局部化行為。在相似材料研究方面：陳新等[10]、Shen等[11]、Bobet等[12]利用石膏做相似材料，分別研究了不同產(chǎn)狀和聯(lián)通率裂紋、多裂紋和圍壓對試樣破壞規(guī)律的影響；趙程等[13]采用數(shù)字圖像的相關(guān)技術(shù)，對單裂紋類巖石材料的表面變形場分布特征及演化規(guī)律進行了量化；Prudencio等[14]采用水泥漿作為相似材料，分別研究了裂紋的幾何分布、裂紋閉合狀態(tài)等對試樣破壞的影響。國內(nèi)外學(xué)者在含預(yù)制裂紋巖石的斷裂特征方面得到了許多有價值的研究成果，但是預(yù)制不同角度穿透裂紋對巖石局部化帶的影響研究較少，需要進行更深入的研究工作。

基于此，利用CCD相機以及液壓伺服機搭建試驗觀測測試平臺，對比無預(yù)制裂紋和預(yù)制不同角度裂紋的標準試樣的單軸壓縮試驗結(jié)果，以數(shù)字散斑相關(guān)方法分析巖石試樣在單軸壓縮過程中的變形演化規(guī)律，得到各砂巖試樣在壓縮破壞過程中的變形場和局部化帶的演化特征，為存在相同外載不同角度裂紋的巖土工程實際的災(zāi)害的預(yù)防提供技術(shù)支持。

1 單軸壓縮試驗

1.1 試驗觀測系統(tǒng)

選用一種紅砂巖，制成尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的無裂紋、預(yù)制0°/45°/90°穿透型裂紋4種試樣，試樣尺寸如圖1(a)所示。其中含預(yù)制裂紋的巖石試樣采用鉆孔切割方式加工裂紋，分別在試樣中部預(yù)制一條長13 mm、寬2 mm的不同角度裂紋。

試驗系統(tǒng)主要由CCD相機、計算機及液壓伺服試驗機組成，分為數(shù)字圖像采集系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩部分，如圖1(b)所示。

圖1 試樣尺寸與試驗系統(tǒng)布置

1.2 試驗過程與結(jié)果

試驗開始前，將巖石試樣水平放置在液壓伺服機上，將壓頭手動調(diào)整到距離巖石試樣頂端1 cm左右位置，用位移加載方式進行預(yù)壓，使壓頭和巖石試樣頂端完全接觸。調(diào)整CCD相機位置和試驗觀測參數(shù)，對加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)進行校對時，保證加載和采集同時進行。

試驗開始時，同時啟動加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。為了避免預(yù)制裂紋巖石突然斷裂，液壓伺服試驗機對試樣進行單軸位移加載的速率為0.001 mm/s。CCD相機的采集速率為2幀/s，圖像分辨率為1 600 像素×1 200 像素。

試驗結(jié)束后，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對采集的散斑圖像進行分析，得到無預(yù)制裂紋以及預(yù)制不同角度裂紋試樣的局部化帶演化規(guī)律。不同試樣破壞前局部化帶演化形態(tài)云圖如圖2所示。

圖2 不同類型紅砂巖局部化帶演化形態(tài)云圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 無預(yù)制裂紋紅砂巖局部化帶演化分析

圖3為無預(yù)制裂紋紅砂巖單軸加載的時間-應(yīng)力曲線。取7.7%峰值應(yīng)力為標識點1、87%峰值應(yīng)力為標識點2、96%峰值應(yīng)力為標識點3、100%峰值應(yīng)力為標識點4、峰后98%峰值應(yīng)力為標識點5，以2.3%峰值應(yīng)力為參考點，分別對標識點1～5所對應(yīng)的局部化帶演化特征進行分析。

圖3 無預(yù)制裂紋紅砂巖加載曲線

圖4為無預(yù)制裂紋紅砂巖不同標識點的變形場云圖，從中可以看出巖石局部化帶演化過程。其中，圖4(a)為圖3中標識點1的變形場演化云圖，對應(yīng)時刻為1 351 s，加載應(yīng)力為5.79 MPa，為巖石彈性變形階段起始點，沒有明顯的局部化帶形成，變形量較??；圖4(b)為圖3中標識點2的變形場演化云圖，對應(yīng)時刻為2 750 s，加載應(yīng)力為65.17 MPa，為試件局部化帶演化起始點，固定端右側(cè)出現(xiàn)較明顯的局部變形，變形量值達到4.1×10-4，此時彈性階段結(jié)束；圖4(c)為圖3中標識點3的變形場演化云圖，對應(yīng)時刻為2 900 s，加載應(yīng)力為71.71 MPa，加載應(yīng)力出現(xiàn)突降，試件局部化帶出現(xiàn)大幅度增加；圖4(d)為圖3中標識點4的變形場演化云圖，對應(yīng)時刻為2 975 s，加載應(yīng)力為74.44 MPa，為加載應(yīng)力峰值點，試件局部化帶尺寸小幅度增長；圖4(e)為圖3中標識點5的變形場演化云圖，對應(yīng)時刻為3 044 s，峰后加載應(yīng)力為73.19 MPa，出現(xiàn)一條較長的局部化帶，變形量值為1×10-3，此時加載應(yīng)力突然跌落，巖石試件沿著該局部化帶形成宏觀裂紋并發(fā)生破壞。

圖4 無裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖

根據(jù)上述對無預(yù)制裂紋紅砂巖單軸加載試驗中變形場演化特征的分析可知，試件的局部化帶形成由固定端(底部)開始，并隨著荷載的增加，局部化帶向加載端擴展(頂部)，最終在應(yīng)力峰值后沿著局部化發(fā)生宏觀破壞，破壞形式不固定。

2.2 0°裂紋紅砂巖局部化帶演化分析

圖5為預(yù)制0°裂紋紅砂巖單軸加載的時間-應(yīng)力曲線。取9.5%峰值應(yīng)力為標識點1、82%峰值應(yīng)力為標識點2、91%峰值應(yīng)力為標識點3、95%峰值應(yīng)力為標識點4、100%峰值應(yīng)力為標識點5，以3.7%峰值應(yīng)力為參考點，分別對標識點1～5所對應(yīng)的局部化帶演化特征進行分析。

圖5 0°裂紋紅砂巖加載曲線

圖6為0°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖，從中可以看出預(yù)制0°裂紋紅砂巖局部化帶的演化特征。圖6(a)對應(yīng)圖5標識點1，加載應(yīng)力為4.51 MPa，沒有明顯的局部化帶，變形量較小，標識點1為巖石彈性變形階段起始點；圖6(b)對應(yīng)圖5標識點2，加載應(yīng)力為38.83 MPa，0°裂紋右側(cè)出現(xiàn)局部化帶，變形量值達到5.5×10-4，標識點2為試件裂紋右側(cè)局部化帶演化起始點；圖6(c)對應(yīng)圖5標識點3，應(yīng)力為42.63 MPa，變形量值為12×10-4，裂紋右側(cè)局部化帶沿著加載方向繼續(xù)擴展，裂紋左側(cè)出現(xiàn)局部化帶，標識點3為試樣裂紋左側(cè)局部化帶演化起始點；圖6(d)對應(yīng)圖5標識點4，加載應(yīng)力為44.67 MPa，相較于圖6(c)來說，裂紋右側(cè)局部化帶呈鈍角向固定端緩慢增加，裂紋左側(cè)局部化帶呈銳角向加載端快速增加，標識點4為裂紋兩側(cè)局部化帶達到一致時的臨界點；圖6(e)對應(yīng)圖5中標識點5，加載應(yīng)力為47.10 MPa，為峰值應(yīng)力，裂紋兩側(cè)出現(xiàn)兩條較長的局部化帶，變形量值為2×10-3，此后加載應(yīng)力上下起伏并突然跌落，巖石試件沿著該局部化帶形成宏觀裂紋并發(fā)生破壞。

圖6 0°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖

根據(jù)上述對預(yù)制0°裂紋紅砂巖單軸加載試驗中變形場演化特征的分析可知，局部化帶在裂紋的兩尖端開始形成，隨著載荷的增加，左右兩裂紋尖端局部化帶與加載方向呈一定角度開始演化，并形成相對平行的兩條局部化帶，最終試樣沿著兩條局部化帶和裂紋尖端形成宏觀剪切型破壞。

2.3 45°裂紋紅砂巖局部化帶演化分析

圖7為預(yù)制45°裂紋紅砂巖單軸加載的時間-應(yīng)力曲線。取5.9%峰值應(yīng)力為標識點1、80%峰值應(yīng)力為標識點2、89%峰值應(yīng)力為標識點3、100%峰值應(yīng)力為標識點4、峰后97%峰值應(yīng)力為標識點5，以3.7%峰值應(yīng)力為參考點，分別對標識點1～5所對應(yīng)局部化帶的演化特征進行分析。

圖7 45°裂紋紅砂巖加載曲線

圖8為45°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖，從中可以看出預(yù)制45°裂紋紅砂巖局部化帶的演化特征。圖8(a)對應(yīng)圖7標識點1，加載應(yīng)力為2.98 MPa，變形量較小，標識點1為巖石彈性變形階段起始點；圖8(b)對應(yīng)圖7標識點2，加載應(yīng)力為40.60 MPa，45°裂紋附近出現(xiàn)局部化帶，變形量值達到3.5×10-4，標識點2為試件裂紋附近局部化帶演化起始點；圖8(c)對應(yīng)圖7標識點3，加載應(yīng)力為45.43 MPa，裂紋右側(cè)尖端局部化帶朝著加載端擴展，標識點3為試件裂紋右側(cè)尖端局部化帶演化起始點；圖8(d)對應(yīng)圖7標識點4，加載應(yīng)力為50.90 MPa，為應(yīng)力峰值點，裂紋左側(cè)尖端呈現(xiàn)局部化帶，并朝著固定端擴展，裂紋右側(cè)尖端局部化帶繼續(xù)朝著加載端擴展，標識點4為裂紋左側(cè)尖端局部化帶演化起始點；圖8(e)對應(yīng)圖7標識點5，加載應(yīng)力為49.25 MPa，為峰后應(yīng)力，裂紋左側(cè)尖端局部化帶擴展到固定端，且變形量增加，裂紋右側(cè)尖端局部化帶接近加載端，變形量值為2.5×10-3，此后加載應(yīng)力上下起伏并突然跌落，巖石試件沿著該局部化帶形成宏觀裂紋并發(fā)生破壞。

圖8 45°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖

根據(jù)上述對預(yù)制45°裂紋紅砂巖單軸加載試驗中變形場演化的分析可知，隨著加載的進行，局部化帶沿著裂紋尖端開始發(fā)展，且隨著荷載的增加局部化帶逐漸形成平行于加載方向演化，最終試樣沿著局部化帶形成宏觀劈裂型破壞。

2.4 90°裂紋紅砂巖局部化帶演化分析

圖9為預(yù)制90°裂紋紅砂巖單軸加載的時間-應(yīng)力曲線，取12%峰值應(yīng)力為標識點1、80%峰值應(yīng)力為標識點2、77%峰值應(yīng)力為標識點3、93%峰值應(yīng)力為標識點4、100%峰值應(yīng)力為標識點5，以5.2%峰值應(yīng)力為參考點，分別對標識點1～5所對應(yīng)的局部化帶演化特征進行分析。

圖9 90°裂紋紅砂巖加載曲線

圖10為90°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖，從中可分析預(yù)制90°裂紋紅砂巖局部化帶演化特征。圖10(a)對應(yīng)圖9標識點1，加載應(yīng)力為6.39 MPa，變形量較小，為巖石彈性變形階段起始點；圖10(b)對應(yīng)圖9標識點2，加載應(yīng)力為41.21 MPa，裂紋尖端分別出現(xiàn)局部化帶，近似呈“X”形狀，變形量值為6.7×10-4，為試件裂紋尖端局部化帶演化起始點；圖10(c)對應(yīng)圖9標識點3，應(yīng)力為45.43 MPa，裂紋尖端產(chǎn)生的變形量值不斷增加，達到9.1×10-4；圖10(d)對應(yīng)圖9標識點4，加載應(yīng)力為49.55 MPa，裂紋尖端右上方局部化帶繼續(xù)擴展，變形量值為12×10-4；圖10(e)對應(yīng)圖9標識點5，加載應(yīng)力為53.23 MPa，為峰值應(yīng)力，裂紋尖端產(chǎn)生的局部化帶呈“X”形，變形量值為1.6×10-3，此后加載應(yīng)力上下起伏并突然跌落，巖石試件沿著該局部化帶形成宏觀裂紋并發(fā)生破壞。

圖10 90°裂紋紅砂巖不同標識點的變形場演化云圖

根據(jù)上述對預(yù)制90°裂紋紅砂巖單軸加載試驗中變形場演化特征的分析可知，隨著載荷的增加，在裂紋附近形成“X”形局部化帶，且最終發(fā)生“X”形宏觀破壞。

3 結(jié)論

1)無預(yù)制裂紋紅砂巖的峰值應(yīng)力為74.44 MPa，預(yù)制0°/45°/90°裂紋紅砂巖的峰值應(yīng)力分別為47.10、50.90、53.20 MPa；相對無預(yù)制裂紋紅砂巖試樣而言，預(yù)制裂紋紅砂巖試樣的峰值應(yīng)力明顯降低。

2)無預(yù)制裂紋紅砂巖局部化帶初始形成于固定端，隨著荷載的增加向加載端演化，局部化帶演化與加載方向無固定關(guān)系；預(yù)制裂紋紅砂巖試樣局部化帶產(chǎn)生于裂紋兩端，其中0°裂紋試樣局部化帶與加載方向呈一定角度向加載端和固定端演化，45°裂紋試樣巖局部化帶與加載方向呈平行方式向加載端和固定端演化，90°裂紋試樣局部化帶呈“X”形向加載端和固定端演化。

3)在相同加載方式下，裂紋角度影響巖石試樣的破壞形式，隨著裂紋角度的變化，破壞形式由單剪向劈裂向“X”形(雙剪)演化，即裂紋面與加載方向呈90°時發(fā)生單剪切破壞，呈45°時發(fā)生劈裂破壞，平行時發(fā)生“X”形(雙剪)破壞。