預(yù)制裂隙透明巖樣的破裂特性研究

崔慶文 王飛燕 賈 蓬

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

工程巖體中賦存著大量的原生裂隙，在開挖應(yīng)力釋放的作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)力重分布，使這些原生裂隙得以擴展,改變并影響巖體的變形及強度等力學(xué)特性。當(dāng)局部的應(yīng)力達到巖石破壞強度時，將使巖體破裂或破壞[1]。以往對于巖石中裂隙擴展特征的研究大多通過在巖樣上加工穿透裂隙的方式，只能從二維角度研究巖樣內(nèi)部既有裂隙在荷載作用下的擴展貫通情況。由于存在于巖樣內(nèi)部裂隙的擴展無法通過肉眼直接觀察，三維裂隙擴展研究存在一定的困難。盡管如此，對于三維裂紋的擴展研究也取得了一些初步性的成果[2]。Dyskin,Wong,林鵬和朱維申等[3-7]開展了三維預(yù)制裂隙擴展的試驗和初步模擬研究。他們利用低溫樹脂、有機玻璃材料、水泥砂漿和石膏等材料制作含有預(yù)制三維裂隙的試驗樣品，研究了預(yù)制裂隙裂紋擴展走向變化和擴展形態(tài)等問題。在透明類巖石材料試驗中，Dyskin等[5]選用的CR-39樹脂在-17 ℃下拉壓比只能達到1/3，黃凱珠等選用的有機玻璃在-50 ℃下拉壓比也只能達到1/5，遠不能滿足類巖石材料的脆性特征。郭彥雙等[8]尋找選用的不飽和聚酯樹脂，在-20 ℃下拉壓比達到1/5，但透明性較差。

本文通過反復(fù)配方實驗，研制出一種在常溫下拉壓比即可達到1/8的不飽和樹脂材料，且具有較高的透明程度，與真實巖石如砂巖材料的力學(xué)特性更為接近。通過在透明試樣內(nèi)部預(yù)制三維裂隙的加載實驗和數(shù)值模擬實驗，研究內(nèi)含不同傾角預(yù)制裂隙巖樣在單軸和雙軸荷載作用下的裂紋擴展規(guī)律。

1 透明類巖石材料內(nèi)置裂紋擴展

1.1 試驗設(shè)計

試樣形態(tài)如圖1所示，試樣為50 mm×50 mm×100 mm(長×寬×高)的長方體。試樣中心含一條橢圓形預(yù)制裂隙，橢圓形裂隙采用云母片切割方式加工成型，長半軸a=8 mm，短半軸b=5 mm。試驗研究裂隙傾角α(橢圓長軸與水平方向的夾角)對裂紋擴展模式和試件的力學(xué)特性的影響，預(yù)制裂隙傾角α=30°，45°和60°。試驗方案如表1所示，試件加載方式如圖2和圖3所示。

表1 實驗方案

加載實驗在3 000 kN巖石剛度試驗機上進行。軸向加載采用位移控制加載方式，加載速率為0.004 mm/s，側(cè)向加載采用應(yīng)力加載方式，加載速度0.1 MPa/s。當(dāng)加載傳感器數(shù)值驟降時，即停止試驗。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，同一傾角下的試樣單軸抗壓強度取平均值。

1.2 試驗結(jié)果分析

試驗研究預(yù)制裂隙傾角在單軸情況下對試件強度和裂紋擴展特征的影響，試件在加載過程中經(jīng)歷了初始壓密階段、彈性變形階段、裂紋萌生擴展階段、試件脆性破壞階段和殘余強度階段5個階段。由圖4a)可知當(dāng)應(yīng)力達到峰值強度40%左右從預(yù)制裂紋兩端點處開始萌生裂紋，然后沿著加載方向初步擴展形成翼裂紋。由圖4b)可知，隨著軸向應(yīng)力的不斷施加，翼裂紋進一步擴展，出現(xiàn)花瓣狀裂紋，此時軸向應(yīng)力約為峰值強度的70%，當(dāng)應(yīng)力到達試件的峰值強度前后，試件裂隙迅速擴展后呈劈裂破壞狀態(tài)如圖4c)所示。由于材料為脆性材料，試件從達峰值強度到劈裂破壞這個過程極短，并且可能以爆裂的形式呈現(xiàn)[9]。本文為了便于區(qū)別預(yù)制裂紋和加載過程中擴展的裂紋，將預(yù)制的橢圓形云母片稱為裂隙，加載過程中產(chǎn)生的裂紋稱之為裂紋。

對表1中各方案下的試件在剛性試驗機上進行單軸壓縮試驗，由圖5試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，單軸壓縮情況下，含裂隙試件的峰值強度低于完整試件。無裂隙試件的峰值強度為53.53 MPa，單軸作用下預(yù)制裂隙傾角為30°，45°和60°的試件峰值強度分別為49.5 MPa，53.15 MPa和53.29 MPa，相對于完整試樣分別降低了7.5%，0.7%和0.45%。由圖5可知隨著裂隙傾角的增大，試樣的峰值強度增大，預(yù)制裂隙傾角45°和60°時，試件的峰值強度相差0.14 MPa，由此說明裂隙傾角45°和60°時對試件的劣化程度區(qū)別不大。

2 內(nèi)置三維裂隙擴展的數(shù)值試驗

2.1 數(shù)值模擬方法

由于巖石是非均質(zhì)、非透明材料，試驗過程中為了便于觀察內(nèi)部裂紋擴展情況，采用不飽和樹脂均勻材料進行巖石三維裂紋擴展的研究時，無法考慮巖石的非均勻的特性，因此在最終破壞模式上必然會存在一定的差異性。為研究含內(nèi)置裂隙的非均勻巖石材料在單軸和雙軸作用下的破裂過程和破裂模式，本文采用巖石真實破壞過程分析系統(tǒng)RFPA3D來模擬巖石三維裂紋的擴展和貫通，可以充分考慮巖石的非連續(xù)、非均勻的本質(zhì)，以及更好地模擬巖石裂紋擴展的全過程，并方便觀察內(nèi)部不同切面上裂紋擴展的情況[10]。

本文數(shù)值模型尺寸選擇與物理實驗相同的尺寸，網(wǎng)格劃分為50×50×100個單元，軸向加載采用位移控制加載方式，加載速率為0.004 mm/s，側(cè)向加載采用應(yīng)力加載方式，加載速度0.1 MPa/s。數(shù)值模型中的主要參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模型參數(shù)

2.2 單軸加載數(shù)值模擬結(jié)果

裂隙傾角對試樣宏觀貫通模式影響如圖6所示，由圖6可以看出，三種傾角下試件的最終破壞模式以剪切貫通破壞為主。方案2試件破壞模式為沿預(yù)制裂隙長軸方向剪切貫通，貫通面與水平方向約成60°夾角。方案3除出現(xiàn)沿預(yù)制裂隙長軸方向剪切裂紋之外，還出現(xiàn)一條與剪切裂隙交叉的貫通的次生剪切裂紋。方案4破壞模式與方案3較為一致，但方案4的次生剪切裂紋的規(guī)模較小。由于篇幅限制以裂隙傾角為30°為例，分析預(yù)制裂隙的擴展過程(如圖7所示)。計算到80步(如圖7a)所示)時，預(yù)制裂隙處逐漸出現(xiàn)損傷累積，此時對應(yīng)的軸向應(yīng)力為30.97 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.315 9%，計算步數(shù)為140步時，在預(yù)制裂隙兩端出現(xiàn)拉裂紋萌生，此時對應(yīng)的軸向應(yīng)力為49 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.556%。計算步數(shù)為150步時，隨著軸向應(yīng)力的進一步施加，拉裂紋進一步擴展，逐漸萌生剪切裂紋，并出現(xiàn)反翼剪裂紋，此時對應(yīng)的軸向應(yīng)力為48.46 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.595%。計算步數(shù)為153步時，拉裂紋進一步擴展，并形成貫通面，反翼裂紋迅速擴展，此時對應(yīng)的軸向應(yīng)力為45.92 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.604%。計算步數(shù)為170步時，試件整體貫通破壞，此時試件只剩余殘余強度。

3 結(jié)語

1)內(nèi)置裂隙對試件的最終峰值強度具有劣化作用，峰值強度內(nèi)置裂隙傾角的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。側(cè)向應(yīng)力有助于提高試件的峰值強度，但由于預(yù)制裂隙透明類巖石材料本身是均質(zhì)的，因此側(cè)向應(yīng)力對材料峰值強度的提高程度不大；

2)單軸加載作用下，首先在預(yù)制橢圓形裂隙的兩側(cè)端點萌生翼型裂紋，隨著軸向應(yīng)力的不斷施加，逐漸出現(xiàn)花瓣狀裂紋，最終在峰值強度前后裂紋劈裂貫通；

3)材料的非均勻性對預(yù)制裂隙試件的宏觀貫通模式有明顯影響：預(yù)制裂隙非均勻試件主要呈現(xiàn)拉剪貫通破壞，其中以剪切貫通破壞為主；而含預(yù)制裂隙均勻透明類巖石材料最終破壞模式為劈裂破壞。

[1] 周 喻.單軸壓縮條件下含雙圓孔類巖石試樣力學(xué)特性的細觀研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2017(11):2662-2671.

[2] 付金偉.巖石中三維單裂隙擴展過程的試驗研究和數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2013，38(3):411-417.

[3] 崔玉龍.脆性材料中三維張開型十字交叉裂隙擴展機理的試驗研究[D].重慶：重慶大學(xué),2015.

[4] Wong,L.， X.P.Zhang.Size Effects on Cracking Behavior of Flaw-Containing Specimens Under Compressive Loading[Z].

[5] Dyskin,A.V.Influence of shape and locations of initial 3-D cracks on their growth in uniaxial compression[Z].

[6] 付金偉.巖石中三維雙裂隙組擴展和貫通過程的試驗研究和彈脆性模擬[J].巖土力學(xué),2013(9):2489-2495.

[7] 葉 偉.透明脆性巖石相似材料內(nèi)置三維裂紋擴展試驗研究[D].重慶：重慶大學(xué),2016:169.

[8] 郭彥雙.脆性材料中三維裂隙斷裂試驗、理論與數(shù)值模擬研究[D].濟南：山東大學(xué),2007:153.

[9] 林恒星.透明類巖石內(nèi)蘊裂紋擴展變形試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014(29):280-284.

[10] 吳憲鍇.巖石三維裂紋擴展機制的物理與數(shù)值試驗研究[D].大連：大連理工大學(xué),2016:71.