砂巖巴西劈裂裂紋擴(kuò)展研究

楊鑫康　肖珺森　王禹

摘 ? 要：為了研究靜態(tài)加載下砂巖的巴西劈裂試驗(yàn)特征及裂紋擴(kuò)展情況，采用非線性力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對砂巖進(jìn)行靜態(tài)加載，利用高速攝影采集數(shù)據(jù)，用PIV軟件進(jìn)行分析。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和分析可知，砂巖裂紋擴(kuò)展分為3個(gè)階段：應(yīng)變能積累階段，裂紋擴(kuò)展階段，裂紋動態(tài)張拉階段。從起裂到裂紋貫通，水平位移的梯度越來越明顯，第一主應(yīng)變場在開裂部位取得最大值。由力-位移曲線和功-位移曲線可知，位移為0.648mm時(shí)試件開裂，加載過程伴隨著試件應(yīng)變能的積累和耗散。

關(guān)鍵詞：巴西劈裂 ?裂紋擴(kuò)展 ?散斑 ?高速攝影

中圖分類號：TU45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0063-05

Abstract： In order to study the Brazilian splitting test characteristics and crack propagation of sandstone under static loading， the nonlinear mechanical experiment system was used to statically load sandstone. The data was collected by high-speed photography and analyzed by PIV software. Through experiments and analysis， it can be known that sandstone crack propagation is divided into three stages： strain energy accumulation stage， crack growth stage， and crack dynamic tension stage. From the cracking to the crack penetration， the gradient of the horizontal displacement becomes more and more obvious， and the first principal strain field reaches the maximum at the cracking site. From the force-displacement curve and the work-displacement curve， the specimen is cracked when the displacement is 0.648 mm， and the loading process is accompanied by the accumulation and dissipation of the strain energy of the specimen.

Key Words： Brazilian splitting; Crack propagation; Speckle; High-speed photography

隨著社會的發(fā)展與科技的進(jìn)步，人們在各類土建工程中遇到的關(guān)于巖石力學(xué)性質(zhì)的問題也越來越復(fù)雜，也有必要進(jìn)行相應(yīng)的研究。巖石試件在單軸拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力，稱為單軸抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度。雖然在工程實(shí)踐中，一般不允許拉應(yīng)力出現(xiàn)，但拉伸破壞仍然是工程巖體及自然界巖體的主要破壞形式之一，而且?guī)r石抵抗拉應(yīng)力的能力很低。巖塊的抗拉強(qiáng)度是通過室內(nèi)試驗(yàn)測定的，包括直接拉伸法，點(diǎn)荷載法，巴西劈裂法，彎曲法等。對于直接拉伸實(shí)驗(yàn)由于試件加工較為困難一般較少采用，更多的是采用間接法，巴西劈裂實(shí)驗(yàn)是大家廣泛認(rèn)同和使用的方法。這種方法自從20世紀(jì)40年代提出以來，作為一種間接測量巖石和混凝土抗拉強(qiáng)度的方法已經(jīng)被普遍接受[1-2]。監(jiān)測手段主要有聲發(fā)射[3]，數(shù)字?jǐn)z像法[4-5]，CT斷層掃描法[6]等。

本文對巴西劈裂過程高速攝影拍到的圖片過程進(jìn)行了研究，并采用PIV軟件研究了劈裂過程的位移場和應(yīng)變場，得到了裂紋擴(kuò)展的相關(guān)規(guī)律及應(yīng)變場的演化規(guī)律。

1 ?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

此次實(shí)驗(yàn)采用尺寸為Φ48.91×25.09，質(zhì)量107.844g，密度2.28g/cm3的砂巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用深部軟巖非線性力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行加載。實(shí)驗(yàn)中的裂紋擴(kuò)展過程由AcutEye高速攝影系統(tǒng)拍攝，此高速攝影系統(tǒng)最高可以達(dá)到13977fps/s的拍攝速度，最大分辨率為1024pixel1024pixel，1TB的數(shù)據(jù)存儲，可以滿足本文實(shí)驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展過程的采集和記錄。實(shí)驗(yàn)過程如圖1-圖3所示。

2 ?砂巖巴西劈裂裂紋擴(kuò)展分析

由高速攝影采集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。

此實(shí)驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展大致分為3個(gè)階段[7]。

第一階段：應(yīng)變能積累階段，從圖1中的起裂前到起裂的第1幀。此過程中包括原有裂縫的壓密，巖石顆粒彈性變形，內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生—擴(kuò)展產(chǎn)生的塑形變形。試件豎直徑向壓縮，水平徑向伸長，高速攝影沒有拍到宏觀裂紋。

第二階段：裂紋擴(kuò)展階段，從圖1中的第1幀到第25幀。在這一階段中，宏觀裂紋在試件應(yīng)力集中最顯著的部位開始出現(xiàn)，由于裂縫尖端的應(yīng)力集中使得裂縫進(jìn)一步發(fā)展，第15時(shí)試件上部已經(jīng)貫通，只有底部靠近實(shí)驗(yàn)臺的一小部分尚未貫通，在第25幀時(shí)形成貫通的裂縫。在此過程中如果中途停止加載，裂紋的擴(kuò)展將也停止。

第三階段：裂紋動態(tài)張拉階段，從圖1中的第25幀往后。此過程中裂縫已經(jīng)貫通，但是仍然具備一定的承載能力，若此時(shí)撤去外力裂縫仍將繼續(xù)擴(kuò)展，所以稱為裂縫動態(tài)張拉階段。

裂紋具體擴(kuò)展過程如圖5所示，圖1-圖8表示從起裂到貫通的不同時(shí)刻，可以看到試件從中間起裂，沿徑向擴(kuò)展，由于試驗(yàn)機(jī)是下部加載所以試件上部先貫通，隨后試件下部，貫通標(biāo)志著裂縫的徹底貫通，貫通裂縫大致沿徑向，且方向大致與水平面垂直。

3 ?水平位移場的演變規(guī)律

利用高速攝影采集到的數(shù)據(jù)，利用PIV軟件得到試件的水平位移場如圖6所示。

由圖6可知起裂第1幀時(shí)試件水平位移不大，說明砂巖起裂時(shí)裂紋較窄。隨后隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，第15幀時(shí)試件左右最大位移差接近2，宏觀裂紋比較明顯。貫通時(shí)試件水平位移峰值出現(xiàn)在試件的右上部分約為0.2。隨著裂紋的發(fā)展，試件水平位移場的梯度越來越明顯。

4 ?最大主應(yīng)變場的演變規(guī)律

對于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)最大主應(yīng)變場即為水平應(yīng)變場，利用的高速攝影采集到的數(shù)據(jù)由PIV軟件可得第一主應(yīng)變場如圖7所示。

由圖7可知，在起裂的第1幀可以看到試件中央開始出現(xiàn)裂縫，裂縫的擴(kuò)展大致沿徑向，說明試件較為均勻，隨后裂縫不斷擴(kuò)展至第25幀時(shí)已經(jīng)貫通，對應(yīng)于裂紋動態(tài)擴(kuò)展階段的末期。貫通時(shí)最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變的差值約為14，且最大主應(yīng)變出現(xiàn)在試件中央部分。

5 ?實(shí)驗(yàn)過程中力和位移，功和位移的分析

由實(shí)驗(yàn)機(jī)采集到的數(shù)據(jù)可繪制如圖8所示的力-位移，功-位移圖。由力-位移圖可知，在實(shí)驗(yàn)過程中隨著加載的進(jìn)行位移逐漸增大，在位移為0.648mm時(shí)開裂，此時(shí)對應(yīng)的力為7.70649kN。起裂以后力開始減小，由于試件起裂后還有一定強(qiáng)度，所以力并未下降至0并有一定的承載能力，即下降段后的上升段，隨后試件破壞，失去承載能力。由功-位移曲線可知，在未開裂階段，隨著做功的增加，試件內(nèi)的應(yīng)變能積累，曲線斜率較大，呈明顯的上升趨勢，起裂后伴隨著應(yīng)變能的損耗，曲線的斜率逐漸平緩。整個(gè)曲線大致反應(yīng)了試件應(yīng)變能的積累，損耗過程。

6 ?結(jié)語

（1）巴西劈裂實(shí)驗(yàn)中試件的裂紋擴(kuò)展分為3個(gè)階段：應(yīng)變能積累階段，裂縫擴(kuò)展階段，裂縫動態(tài)張拉階段。

（2）隨著裂紋的擴(kuò)展，水平位移的梯度越來越明顯，且水平位移的最大負(fù)值出現(xiàn)在左側(cè)中部位置，最大正值出現(xiàn)在右側(cè)上部位置。

（3）位移為0.648時(shí)試件開裂，此時(shí)對應(yīng)的力為7.70649kN。

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