雁行雙裂隙類砂巖加載條件下裂紋擴展演化規(guī)律研究

鄭遠龍， 肖桃李*， 折海成,2， 章德超

(1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 荊州 434023； 2.陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學(xué)重點實驗室， 西安 710065)

自然界中巖體內(nèi)部裂隙缺陷分布不一，但在土木水利、隧道、采礦等大型工程中多以巖體為工程介質(zhì)，通常涉及到裂隙巖體內(nèi)部新生裂紋的產(chǎn)生、擴展及貫通，降低了巖體的穩(wěn)定性，易引發(fā)工程事故。因此，開展對裂隙巖體在外力作用下裂紋產(chǎn)生、擴展及破壞模式的研究，可為實際工程建設(shè)提供必要的指導(dǎo)依據(jù)。

在裂隙巖體研究方面，中外學(xué)者通過不同的試驗方法進行研究，獲得了諸多成果。在室內(nèi)物理試驗方面，Bobet等[1]對雙裂隙類巖石試樣進行單軸壓縮試驗，概括出了5種裂紋貫通模式。靳瑾等[2]制作含雁行裂隙類巖石試樣進行單軸壓縮試驗，結(jié)果表明巖橋貫通模式主要受巖橋傾角影響。張平等[3]對含雁行裂隙類砂巖進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)巖橋破壞模式有張拉破壞、拉剪復(fù)合破壞和剪切破壞3種。莊賢鵬等[4]對含雁行裂隙紅砂巖試樣進行單軸循環(huán)加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)了巖橋傾角小于45°時，巖橋未貫通，巖橋傾角大于75°時，巖橋發(fā)生貫通。朱維申等[5]對含閉合雁行裂隙類花崗巖試樣進行雙軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)巖橋間貫通破壞模式有剪切破壞、拉剪復(fù)合破壞和翼裂紋擴展破壞3種。肖桃李等[6]對含雁行裂隙類大理巖試樣進行三軸壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)試樣的宏觀破裂跡線是由3種裂紋組成和4種裂隙間貫通模式。在室內(nèi)物理試驗得到必要的力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，已有學(xué)者結(jié)合數(shù)值模擬軟件進行研究。田茂祥等[7]、黃彥華等[8]采用PFC分別開展含雁行裂隙砂巖的單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨巖橋傾角的增加，巖橋區(qū)域由間接貫通轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯迂炌?。張志強等[9]對含雁行裂隙類巖石進行數(shù)值模擬試驗，結(jié)合拉、剪應(yīng)力極值線，揭示了當(dāng)巖橋傾角為90°時，隨裂隙傾角的增大，試樣出現(xiàn)3種破壞模式及3種裂紋引起的巖橋貫通。張恒等[10]、李凡等[11]對含雁行裂隙巖樣進行數(shù)值模擬試驗，發(fā)現(xiàn)巖橋傾角增加時，巖橋貫通模式由復(fù)合型貫通過渡到拉伸型貫通。Yang等[12]制作含雁行裂隙砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，輔以攝影監(jiān)測技術(shù)和PFC，分析了裂紋演化過程及機理。Tian等[13]制作含雁行裂隙花崗巖試樣進行單軸壓縮試驗，采用數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation，DIC)系統(tǒng)觀測裂紋起裂、發(fā)展、閉合，結(jié)合PFC，分析了巖橋傾角對裂紋起裂角度的影響。

現(xiàn)有研究主要集中于裂隙試樣的宏觀破壞模式及數(shù)值模擬方面的研究，而監(jiān)測裂紋產(chǎn)生、擴展手段較單一，所獲得信息有限。鑒于此，以含雁行裂隙類砂巖試樣為研究對象，進行單軸壓縮試驗，結(jié)合DIC技術(shù)，重現(xiàn)加載過程中試樣表面的位移和應(yīng)變變化，研究不同裂隙傾角和巖橋傾角對試樣裂紋擴展演化規(guī)律的影響。

1 試樣研究

1.1 試樣制備

為減少試樣的差異性，試驗中采用適當(dāng)?shù)牟牧吓浜媳戎苽漕惿皫r試樣，其質(zhì)量配合比為32.5R普通硅酸鹽水泥∶砂∶水∶減水劑∶消泡劑=1∶0.8∶0.28∶0.002∶0.003。試樣模具采用三聯(lián)ABS塑料模具，如圖1所示，去除中間隔板，試樣尺寸為 70 mm(長)×70 mm(寬)×143 mm(高)，通過在模具兩側(cè)貼上裂隙定位圖，便于裂隙的定位與開孔。試樣中兩條裂隙長度L=10 mm，巖橋長度2b=14 mm，裂隙寬度為1 mm,裂隙傾角用α表示，巖橋傾角用β表示，含雁行裂隙試樣幾何分布示意圖，如圖2所示。類砂巖試樣與白砂巖的宏觀力學(xué)特性基本相似，如表1所示，試樣可歸結(jié)為類砂巖材料。部分制成試樣，如圖3所示。

黃色虛線為裂隙孔及鋼片位置圖1 實驗?zāi)＞逨ig.1 Experimental mold

圖2 含雁行裂隙試樣幾何分布示意圖Fig.2 Geometry parameters of model specimen containing two non-coplanar fissures

表1 類砂巖試樣與白砂巖的力學(xué)性質(zhì)對比

圖3 部分試樣Fig.3 Part of the specimen

1.2 試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備由加載系統(tǒng)和DIC系統(tǒng)組成，如圖4所示，其中，加載系統(tǒng)由WAW-1000B微機控制電液伺服萬能試驗機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，DIC系統(tǒng)由測量系統(tǒng)與DIC軟件組成。試驗中，壓力機加載速率為0.2 mm/min，測量系統(tǒng)進行實時拍攝。

圖4 試驗設(shè)備Fig.4 Test equipment

1.3 試驗方案

試驗方案以裂隙傾角和巖橋傾角作為變量，來考察這二者對巖石試樣裂紋擴展及破壞的影響，方案將α取值為0°、30°、45°、60°、90°，β取值為0°、30°、60°、90°、120°，且試樣編號命名為α-β，則試驗方案及試樣編號，如表2所示。

表2 試驗方案及試樣編號

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試樣變形和裂紋擴展分析

采用DIC技術(shù)獲取加載過程中試樣表面的全局位移云圖和主應(yīng)變云圖，發(fā)現(xiàn)試樣表面裂紋產(chǎn)生、擴展、破壞在全局位移云圖和主應(yīng)變云圖上的變化特點基本一致，限于篇幅，以編號45-60試樣為例，由圖5可知，列舉荷載水平為15%、50%、60%、90%、100%、峰后10%進行分析，分別對應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的a～f點。

圖6為試樣45-60在加載過程中x方向(垂直加載方向)的全局位移云圖，由圖6可知，在加載初期，位移云圖整體呈水平條帶狀分布，位移值從上到下減小，有位移帶出現(xiàn)“拐折”現(xiàn)象，向兩預(yù)制裂隙外尖端拐折，如圖6(a) 所示；隨加載的進行，位移值相應(yīng)增大，位移帶逐漸加密且拐折現(xiàn)象增多，局部形成一近似“弧形界面”，如圖6(e)所示，在弧形界面的上方呈負位移區(qū)，下方呈正位移區(qū)，說明界面上方的試樣向左剝離，界面下方的試樣向右剝離，在裂隙2外尖端外出現(xiàn)兩個“豎直界面”，如圖6(f) 所示。

圖7為試樣45-60在加載過程中y方向(平行加載方向)的全局位移云圖，由圖7可知，在加載初期，位移云圖整體呈豎向條帶狀分布，位移值從左往右減小，左側(cè)位移帶呈弧形收斂至裂隙2外尖端附近，如圖7(a)所示；隨加載的進行，位移值隨之增大，多條位移帶轉(zhuǎn)向試樣邊界收斂，整體上呈現(xiàn)出由近似“八”型逐漸變?yōu)椤盎⌒谓缑妗?，如圖7(e)、圖7(f)所示，且弧形界面下方的位移值大于上方的位移值,與文獻[15]的結(jié)論一致。

在DIC系統(tǒng)獲取全局位移云圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合第二強度理論，即當(dāng)試樣某點的最大伸長線應(yīng)變達到材料的極限應(yīng)變，材料就會發(fā)生脆性斷裂，可較好地解釋巖石、混凝土等脆性材料在單向壓縮時沿縱向開裂的脆斷現(xiàn)象。根據(jù)表1的力學(xué)參數(shù)，可求出臨界線應(yīng)變εlim=σb/E=0.108%[16]，其中，σb為抗拉強度，E為彈性模量，通過主應(yīng)變云圖對試樣表面細宏觀裂紋擴展進行捕捉、跟蹤。模擬試樣45-60裂紋擴展演化過程如圖8所示。

圖5 試樣45-60應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of specimen 45-60

圖6 試樣45-60的x方向全局位移云圖Fig.6 The x-direction global displacement cloud map of specimen 45-60

圖7 試樣45-60的y方向全局位移云圖Fig.7 The y-direction global displacement cloud map of specimen 45-60

由圖8可知，在主應(yīng)變云圖中局部突變區(qū)域往往是試樣裂紋產(chǎn)生或擴展的區(qū)域。在加載初期時，即當(dāng)試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到a點時，試樣左側(cè)中部及右上端表面產(chǎn)生了遠場裂紋①，并分別向兩預(yù)制裂隙外尖端擴展；在加載中期時，即在b、c點時，兩條裂紋①繼續(xù)擴展，其中，試樣左側(cè)的裂紋①與裂隙2發(fā)生貫通，隨即次生傾斜裂紋③在裂隙2內(nèi)尖端產(chǎn)生，向裂隙1內(nèi)尖端擴展；在加載后期時，即在d、e點時，試樣表面左上側(cè)出現(xiàn)遠場裂紋④，但深度極淺，對試樣破壞無顯著影響，試樣右上端的裂紋①繼續(xù)向下方擴展，很快巖橋區(qū)域形成由裂紋③直接貫通的破壞，且在試樣左側(cè)裂紋①的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了張拉裂紋⑤；在f點之前，伴隨著破裂聲，應(yīng)力發(fā)生跌落，試樣表現(xiàn)為已有的裂紋寬度繼續(xù)加寬，極短時間內(nèi)，張拉裂紋⑥亦產(chǎn)生，試樣整體呈現(xiàn)張拉-剪切復(fù)合破壞,試樣實際破壞圖如圖4所示。

圖8(g)～圖8(l)分別對應(yīng)圖5應(yīng)力-應(yīng)變曲線上a～f點的裂紋產(chǎn)生或擴展圖；①～⑥為裂紋在不同荷載水平產(chǎn)生的次序； 箭頭表示裂紋擴展方向圖8 試樣45-60裂紋擴展演化規(guī)律Fig.8 The evolution law of crack propagation in specimen 45-60

結(jié)合圖6、圖7可知，當(dāng)全局位移云圖中位移帶出現(xiàn)拐折或局部界面化現(xiàn)象時，相應(yīng)地，主應(yīng)變云圖出現(xiàn)突變區(qū)及其擴張、延伸，預(yù)示著裂紋的產(chǎn)生及其擴展。圖8(l)既是試樣裂紋擴展圖，也是試樣破壞圖，說明了試樣裂紋擴展演化全過程和破壞模式。

2.2 含雁行裂隙試樣的裂紋擴展與破壞規(guī)律

裂紋擴展圖(破壞圖)可用來分析試樣在單軸壓縮試驗過程中裂紋擴展和破壞，下文采用試樣破壞圖進一步探討試樣隨裂隙傾角和巖橋傾角變化的裂紋擴展和破壞特征，如圖9所示。

2.2.1 試樣裂紋擴展和破壞隨裂隙傾角的變化規(guī)律

由圖9可知，在加載初期時，裂紋①均是從試樣邊界處產(chǎn)生，其主要是由試樣端部效應(yīng)或上下端面平整度不夠所致；在加載中期時，大部分裂紋②、③仍在試樣邊界處產(chǎn)生擴展；在加載后期時，大部分裂紋④、⑤、⑥是從裂隙尖端處開始產(chǎn)生，并向試樣上下端面擴展。試樣尖端產(chǎn)生的裂紋擴展路徑呈現(xiàn)為：以兩裂隙外尖端連線形成一個“界面”，裂隙尖端在上半?yún)^(qū)的裂紋向上端面擴展，在下半?yún)^(qū)的裂紋向下端面擴展，并存在部分裂紋的擴展會受到試樣表面氣泡凹陷影響而發(fā)生拐折，與圖6、圖7位移變化是相符的。在加載初期及中期時，試樣表面裂紋處于產(chǎn)生、擴展階段，呈現(xiàn)為：產(chǎn)生裂紋數(shù)量少，且擴展速率較為緩慢；而在加載后期時，試樣表面產(chǎn)生的裂紋數(shù)量明顯增加，且擴展時間短，速率快，特別裂紋⑥數(shù)量有突增現(xiàn)象，表明試樣已經(jīng)破壞，其與應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力“突變”對應(yīng)。但在α=45°時，裂紋擴展出現(xiàn)少量裂紋⑥，表明該組試樣破壞較快，且其峰值強度是低于其他試樣，與文獻[17]的結(jié)論相似，當(dāng)裂隙傾角α=45°時試樣的峰值強度最低。隨α的增加，試樣表面產(chǎn)生裂紋數(shù)量呈現(xiàn)出先減少再增加后減少的變化規(guī)律。該規(guī)律受其破壞機理影響，具體表現(xiàn)為：當(dāng)α=0°、30°時，試樣表面產(chǎn)生的裂紋主要為張拉裂紋，試樣破壞模式為張拉破壞，其原因是此時裂隙尖端的有效剪應(yīng)力較小，而張拉應(yīng)力作用更顯著，產(chǎn)生的裂紋以張拉裂紋為主；當(dāng)α=45°、60°時，試樣表面產(chǎn)生的裂紋既有張拉裂紋，又有剪切裂紋，試樣破壞模式為張拉-剪切復(fù)合破壞，隨α的增加，裂隙尖端的有效剪應(yīng)力也增大，更易產(chǎn)生剪切裂紋，形成一剪切滑移面，與試樣單軸壓縮的剪切破裂角45°+φ/2基本一致(φ為巖石的內(nèi)摩擦角)；當(dāng)α=90°時，裂隙在試樣中部呈豎向分布，裂隙尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，出現(xiàn)試樣邊界處的張拉裂紋與裂隙尖端產(chǎn)生的裂紋形成試樣上下端面貫通的張拉破壞。

2.2.2 試樣裂紋擴展和破壞隨巖橋傾角的變化規(guī)律

由圖9可知，巖橋傾角對試樣表面裂紋產(chǎn)生和擴展的影響與裂隙傾角基本一致。隨β的增加，試樣表面產(chǎn)生裂紋數(shù)量呈現(xiàn)出先減少后增加的變化規(guī)律，試樣破壞模式呈現(xiàn)出由張拉破壞向張拉-剪切復(fù)合破壞轉(zhuǎn)變，其破壞機理表現(xiàn)為：當(dāng)β=0°、30°時，試樣表面產(chǎn)生的裂紋主要為張拉裂紋，試樣破壞模式為張拉破壞；當(dāng)β=60°、90°、120°時，試樣表面產(chǎn)生的剪切裂紋增多，呈現(xiàn)出張拉-剪切復(fù)合破壞模式。

2.2.3 巖橋貫通隨巖橋傾角的變化規(guī)律

試驗方案所設(shè)定的巖橋長度均為2b=14 mm，巖橋在水平方向的投影長度隨巖橋傾角變化，如表3 所示，示意圖如圖10所示。

由圖10、表3可知，在不同巖橋傾角下，巖橋是否貫通，及貫通模式與其水平投影長度有直接關(guān)系。具體表現(xiàn)為：在β=0°、30°時，巖橋水平投影長度較長，分別為14、12.12 mm，且表面產(chǎn)生的裂紋主要為張拉裂紋，向最大主應(yīng)力方向擴展，試樣破壞時巖橋未出現(xiàn)貫通，呈現(xiàn)出張拉破壞。在β=60°、90°時，巖橋水平投影長度減小，分別為7、0 mm，試樣表面既有張拉裂紋，又有切裂紋，試樣破壞時巖橋均出現(xiàn)由一條張拉裂紋或剪切裂紋引起的直接貫通，試樣主要呈現(xiàn)出張拉-剪切復(fù)合破壞。在β=120°時，巖橋水平投影長度為-7 mm，除α=90°，兩裂隙間存在一定疊合長度，裂紋擴展路徑與β=60°相似，但試樣破壞時巖橋均出現(xiàn)兩條裂紋引起的直接貫通，試樣發(fā)生由張拉裂紋和剪切裂紋形成的張拉-剪切復(fù)合破壞。

①～⑥表示裂紋在不同荷載水平產(chǎn)生的次序；箭頭表示裂紋擴展方向圖9 試樣裂紋擴展圖(破壞圖)隨裂隙傾角和巖橋傾角變化規(guī)律Fig.9 The variation law of the specimen crack growth diagram (failure diagram) with the fissure angle and the ligament angle

表3 巖橋的水平投影長度

V為豎向長度圖10 巖橋長度投影Fig.10 Projection of rock bridge length

3 結(jié)論

(1)通過DIC系統(tǒng)可重現(xiàn)試樣在加載過程中的全局位移云圖和主應(yīng)變云圖，能夠捕捉裂紋產(chǎn)生位置，監(jiān)測裂紋擴展及破壞過程。裂紋產(chǎn)生及擴展過程表現(xiàn)為：在加載初期，裂紋先從試樣邊界處產(chǎn)生，向試樣中心擴展，隨加載至中、后期，裂紋開始從裂隙尖端處產(chǎn)生，向試樣上下端面擴展。

(2)隨裂隙傾角的增加，裂紋數(shù)量呈現(xiàn)出先減小再增大后減小的變化趨勢；當(dāng)裂隙傾角為0°、30°、90°時，試樣呈現(xiàn)出以張拉裂紋為主的張拉破壞，當(dāng)裂隙傾角為45°、60°時，試樣表面產(chǎn)生的剪切裂紋比重增大，試樣呈現(xiàn)出張拉-剪切復(fù)合破壞。隨巖橋傾角的增加，裂紋數(shù)量呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，當(dāng)巖橋傾角小于30°時，試樣呈現(xiàn)出以張拉裂紋為主的張拉破壞，當(dāng)巖橋傾角大于30°，試樣表面既有張拉裂紋，又有剪切裂紋，試樣呈現(xiàn)出張拉-剪切復(fù)合破壞。

(3)巖橋傾角影響著巖橋的水平投影長度，巖橋水平投影長度決定了巖橋貫通模式，即在巖橋傾角為0°、30°時，水平投影較長，試樣破壞時巖橋未貫通；當(dāng)巖橋傾角為60°、90°時，其水平投影為7 mm和0 mm，試樣破壞時巖橋出現(xiàn)直接貫通，發(fā)生一處貫通，當(dāng)巖橋傾角為120°時，其水平投影為-7 mm，兩裂隙間存在一定疊合長度，試樣破壞時巖橋出現(xiàn)直接貫通，發(fā)生兩處貫通。