裂隙網絡擴展機制試驗研究

李 翎,章 政

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

經過長期的地質構造運動，天然巖石內部往往會產生大量的軟弱結構面、孔洞等微缺陷。而這些結構面的隨機分布構成了巖石的裂隙網絡形態(tài)，在外部荷載作用下，裂隙網絡的發(fā)育、擴展、貫通顯著改變了巖石的強度、穩(wěn)定性等力學特性。因此，開展對裂隙網絡擴展過程的研究對預測結構穩(wěn)定性具有重要的理論意義[1]。

一些學者通過控制裂隙的單一特征，對含不同形式的預制裂隙巖石試樣進行壓縮試驗，發(fā)現裂隙擴展路徑及試件的穩(wěn)定性受控于裂隙形式和裂隙布局[2-5]。王艷磊等[6]通過控制裂隙數量改變裂隙密度進行常規(guī)單軸壓縮試驗，發(fā)現隨著裂隙數量的增加，裂隙試件的延性破壞逐漸增強。孫冰等[7]通過控制預制裂隙類巖石試件的傾角、裂隙形式和巖橋間距開展單軸壓縮試驗，系統地分析了試件的受力特征和破壞形式。Jun等[8]利用具有不同預存缺陷的石膏試件，從缺陷傾角和裂縫數量方面研究單軸壓縮下巖石階梯式破壞的裂紋行為。

由于巖體內結構面空間幾何分布復雜，往往呈現網狀特征，因此復雜裂隙的制備往往是阻礙開展室內研究的關鍵，但隨著3D打印技術被應用于巖石領域，這一問題得到了有效地解決。Jing等[9]通過制備不同形狀和結構的砂粉、PLA材料試件進行壓縮實驗，成功證明了3D打印技術在研究類巖石材料的變形和破壞方面的潛力。Mansour等[10]利用CAD軟件和3D打印技術設計了一批具有各種缺陷、巖橋傾角和重疊特征的試件。王培濤[11]考慮到裂隙網絡的空間隨機分布特征和自身幾何復雜性，在3D打印的基礎上，制備了直線性離散裂隙網絡和粗糙性離散裂隙網絡模型。張科[12]以壩基巖體為研究模型選取裂隙網絡，選用可降解材料打印裂隙網絡模型。

為了進一步研究復雜裂隙的擴展特征，采用Monte Carlo法[13-14]隨機生成非均一、各向異性間隙性離散裂隙網絡(Interstitial discrete fracture network,簡稱IDFN)模型，避免了在控制裂隙布局和裂隙密度時存在人為因素對裂隙擴展的影響。選用可降解材料PVA打印裂隙網絡實體模型，通過高強度水泥砂漿和石膏制備裂隙網絡類巖石模型試件。結合數字圖像相關技術，以裂紋為跟蹤目標，利用高速攝像機精準地捕捉各裂隙萌生和聚結行為。研究為3D打印技術和DIC技術在裂隙網絡巖體變形破壞方面的研究提供了有益參考。

1 試驗件制備及試驗方案

1.1 制備裂隙網絡模型方法

首先利用python編制隨機裂隙網絡模型腳本，將腳本輸入abaqus軟件中。受篇幅限制，本文不介紹腳本編制過程。輸入生成域的模型尺寸100 mm×100 mm,以及裂隙個數21、裂隙跡長范圍10～20 mm，裂隙寬度統一為1.2 mm。輸出間隙性離散裂隙網絡二維圖。

Step1 將二維圖形導入solidworks軟件中，將裂隙網絡面域向Z軸正方向拉伸20 mm,為了確保預制節(jié)理之間的傾角和巖橋間距的精確程度，再將模型外邊界面域向Z軸負方向拉伸0.5 mm,生成用于固定裂隙網絡的底座模型。將上述兩個模型合并，得到3D裂隙網絡模型，如圖1(a)所示。

Setp2 將上述構建完成的裂隙網絡3D數字模型輸出為*.STL格式文件，并導入打印機。

(a)數字模型 (b)模型打印 (c)模型成品 (d)裂隙試件

1.2 裂隙網絡模型3D打印

本次室內試驗采用三緯國際DaVinci 2.0 A Duo型號3D打印機，打印機噴頭直徑0.4 mm，打印精度0.1 mm，能夠打印的最大模型尺寸為200 mm×200 mm×150 mm，打印方式為熔融沉積成型，該方式原理是通過將高溫材料融為液態(tài)，再由打印噴頭擠出后固化，層層堆積形成立體實物。此次打印選擇PVA高分子材料作為打印材料，熔融溫度為150～180 ℃，采用交織填充，填充率設置為70%,打印機外觀及結構如圖1(b)所示。

1.3 試樣制備

3D打印裂隙網絡實體模型完成后，如圖1(c),便可制備裂隙網絡類巖石試件，詳細操作流程如下。

(a)將3D打印實體模型置于模具中，模具內尺寸為100 mm×100 mm×20 mm(長×寬×厚)。

(b)本次試驗采用細砂作為骨料，水泥作為膠結材料將顆粒細砂粘結在一起。其中硅酸鹽水泥、石英砂、水按質量比1∶2∶0.5配置，充分攪拌后，倒入模具，振搗密實。成100 mm×100 mm×20 mm正方形板狀試件[12]。

(c)待混凝土試件在模具中凝結48 h后拆除模具，立即將其置于混凝土養(yǎng)護箱中養(yǎng)護12 d；達到規(guī)定強度后放入檸檬烯中浸泡，待裂隙網絡溶解后，用鑷子取出殘余。

(d)將試件置于通風處干燥48 h后，將上下表面打磨平整；將低強度石膏填充于裂隙網絡中，石膏的粘結強度有限，因此石膏與細砂材料的組合可以更好地滿足顆粒間的摩擦作用，有效地模擬裂隙填充物。

(e)先在試件正面噴涂白色底漆，提高對比度；待白漆干燥后，在試件上方噴涂黑色散斑，形成隨機人工散斑。物理模型試樣如圖1(d)所示。

1.4 裂隙分布特征

選用尺寸為100 mm×100 mm×20 mm(長×寬×厚)的水泥混凝土類巖石試件為研究對象，裂隙類型為不相交裂隙。A區(qū)域為試件脆弱面：裂隙傾角平緩，巖橋長度較小，裂隙分布較為集中。B區(qū)域裂隙分布較為均勻，裂隙之間具有一定的巖橋長度，裂隙傾角主要沿加載方向傾斜。

1.5 試驗方案

整套試驗系統如圖2所示。分別對裂隙網絡類巖石試件、完整試件、單一裂隙試件進行單軸壓縮試驗，加載方式采用軸向位移控制，試件加載面選擇100 mm×20 mm,加載速率為0.6 mm/min。試驗前在試件上下端部各布置一塊剛性墊板，并且均勻地涂抹一層潤滑劑以便減小端部摩擦效應對試驗結果的影響。加載過程中采用高速攝像機實時監(jiān)控試件噴圖散斑的表面，圖像分辨率為2560×1920像素，采集速率設置為50張/s。整個試驗過程采用LED冷白光源對試件進行補光，使得采集的圖像具有較高清晰度。此外為捕捉試件破壞的全過程，壓縮試驗應與DIC拍攝同步開啟。

圖2 試驗系統

2 試驗結果分析

2.1 應力-應曲線特征分析

對完整試件、單一裂隙試件、復雜裂隙試件均進行多組單軸壓縮試驗，其相應的試驗結果統計見表1，圖3為3種典型模型試件的應力-應變曲線，從圖可以看出，含裂隙試件的應力-應變曲線均包含微缺陷閉合、線彈性、裂紋萌生與擴展、峰后應變軟化四個階段，而完整試件則表現出較好的脆性。

表1 模型試件物理力學參量

(1)單一裂隙與完整類巖石試件 (2)裂隙網絡類巖石試件

通過對比3種模型試件的應力-應變曲線圖，發(fā)現裂隙網絡模型試件存在明顯的“峰前波動”和“卸荷平臺”兩個特征階段，“峰前波動”反映了新生裂隙不斷發(fā)展的過程，“卸荷平臺”反映了預制裂隙貫通后裂隙逐漸向試件受力方向擴展、貫通直至模型試件完全失穩(wěn)破壞的過程。由此可見模型試件的應變軟化現象并非材料自身的性質，其原因可歸結為預制裂隙分布的隨機性、非均一性和各向異性。

2.2 預制裂隙分布對應變場演化的影響

在模型試件加載過程中，高速攝像機記錄了試件表面的散斑圖像。選取裂隙網絡類巖石模型試件應力-應變曲線中6個典型時刻進行標識，對標識點的散斑圖像進行處理分析，得到如圖4、5所示為代表標識點加載過程中模型試件變形破壞的應變場演化圖。

圖4 體積應變云圖

當荷載加載至峰值應力的24.5%時(見標識點a的應變云圖)，試件表面的各應變場分布比較均勻，變形很小。隨著荷載的增加，試件進入彈性階段，如應變云圖4b、5b、6b所示，該階段應變場出現大面積的集聚現象，說明該階段的試件能夠有效承受外部荷載作用，并將其轉化為應變能，為接下來的裂紋萌生、擴展“蓄能”。當荷載加載至c點(峰值應力的90.8%)時，體積應變云圖中出現一條由預制裂隙A-1、A-2、A-3、A-4、A-5構成的局部應變化帶分界線(見圖4c)，界線上下端部產生顯著應變差，從而加快了A區(qū)域裂隙的擴展速率；根據試件峰前破壞階段的應變場演化特征可發(fā)現，試件A區(qū)域巖橋長度較小區(qū)段的裂隙尖端及周邊率先出現應變集中區(qū)域，隨著加載的繼續(xù)，應變集中區(qū)域相互交織形成應變局部融合(見圖6標識點c、d)。當應力水平接近峰值應力時，試件表面出現一條連接A區(qū)域各預制裂隙及試件端部的宏觀貫穿裂隙；從應變計算結果可見，試件表面A-1與A-2、A-3與A-4巖橋區(qū)段因預制裂隙貫通出現散斑脫落現象(見圖4d、5d、6d)，同時水平應變融合區(qū)域進一步演化成應變局部化帶，且沿著加載方向擴展，預示著裂隙的擴展路徑。根據應變計算結果可以發(fā)現試件只是部分破壞，還具有一定的承載能力，因此隨著荷載的持續(xù)加載，A區(qū)域應變局部化帶逐漸向預制裂隙B-6擴展，同時試件B區(qū)域出現一條新的應變局部化帶，并且沿加載方向階梯式擴展(見圖5標識點e)直至試件完全失穩(wěn)破壞，說明該階段試件內部重新形成抗力結構，打破了模型試件原有的受力狀態(tài)，使得應力集中區(qū)域有所轉移。

圖5 水平應變云圖

圖6 剪切應變云圖

根據垂直應變云圖和水平應變云圖的演化規(guī)律，試件的整體破壞可歸結為峰前剪切破壞和峰后拉剪混合破壞。峰前剪切破壞：該破壞主要由A區(qū)域的兩處巖橋(A-1與A-2、A-3與A-4)率先貫通所引發(fā)，貫通的預制裂隙不斷沿著傾角較小的軟弱結構面擴展、貫穿直至峰前破壞。觀察圖4d、5d、6d，發(fā)現應力集中區(qū)域主要集中在試件下端部，而下端部裂隙具有傾角小、巖橋長度短的特點，由此說明裂隙巖體的峰值強度主要取決于試件脆弱結構面的發(fā)育；峰后拉剪混合破壞：該階段的破壞是在預制裂隙B-4與B-5貫通后形成剪切裂紋的基礎上演化而成的。當加載應力進入階段Ⅳ后，B-4尖端的共面裂紋逐漸演化為滑移面，促使B區(qū)域裂隙1、2、3沿加載方向擴展、貫通形成剪切裂紋。

(1)水平應變 (2)垂直應變 (1)水平應變 (2)垂直應變

對比完整試件破壞前后的應變云圖(見圖7、圖8)，破壞前試件表面應變化帶分布比較隨機，表面沒有明顯的破裂現象。但隨著加載應力達到峰值，試件突然發(fā)生破裂，伴隨著大面積的散斑脫落現象，并且破裂位置與應變化帶相對應?；贒IC技術對裂隙網絡類巖石破壞過程的觀測研究，發(fā)現原生裂隙的存在對新生裂隙的擴展具有誘導作用，并且預制裂隙的形狀及布局是影響其強度和穩(wěn)定性的重要因素之一。

3 結語

將3D打印技術與DIC技術相結合，從物理實驗的角度對裂隙網絡巖體進行單軸加載試驗，得出以下結論：

(1)利用python編制隨機裂隙網絡模型腳本，輸入abaqus軟件中，生成間隙性離散裂隙網絡數字模型，結合3D打印技術的高精度性，為開展復雜裂隙巖體的變形破壞研究提供了可靠的物理模型。

(2)由于裂隙網絡類巖石試件內部存在眾多隨機裂隙，隨著新生裂紋的發(fā)育、擴展和貫通，模型試件的應力-應變曲線存在較為明顯的“峰前波動”和“卸荷平臺”兩個特征階段。

(3)采用DIC技術實現從細觀層次對裂隙網絡類巖石模型試件的破壞過程進行全程非接觸觀測，加載的全過程中，試件表面應變局部化帶隨著荷載的增加不斷變化，預制裂隙端部應變場相互交錯融合形成應變局部化帶，預示試件表面宏觀裂隙的擴展路徑。

(4)裂隙的分布及巖橋間距決定了應變局部化帶的融合方式，進而對類巖石試件峰前破壞模式以及力學性質產生直接影響。