不同斷裂模式下低溫對(duì)砂巖斷裂韌度的影響研究

李 勇，張 昊，劉延保，胡雙杰，桂輝高

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

巖石力學(xué)性質(zhì)是工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。國(guó)家發(fā)布新時(shí)代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見后，西部寒區(qū)礦產(chǎn)逐漸成為國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)開發(fā)的關(guān)注點(diǎn)[1]。寒區(qū)露天礦開采、地面建設(shè)、鐵路隧道凍害防治等工程，以及礦井鑿井工程中凍結(jié)鑿井施工技術(shù)的推廣[2-4]均需考慮低溫、超低溫環(huán)境對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。眾多工程實(shí)踐表明，低溫對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其對(duì)巖石的斷裂和破壞行為具有顯著的影響。因此，低溫條件下巖石斷裂力學(xué)特性及強(qiáng)度等問題已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫條件下巖石斷裂特性的研究成果十分豐富。Kim K等[5]研究發(fā)現(xiàn)溫度的變化使巖石內(nèi)部產(chǎn)生了熱應(yīng)力和裂縫；Tran D等[6]研究認(rèn)為當(dāng)巖石應(yīng)力強(qiáng)度因子大于等于斷裂韌度時(shí)，熱應(yīng)力將在斷裂尖端形成應(yīng)力集中，裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展。然而對(duì)低溫條件下巖石的斷裂力學(xué)特性研究較少，且以研究含裂隙巖體的凍結(jié)凍融損傷、凍脹力擴(kuò)展[7-11]，以及液氮等低溫液體營(yíng)造的超低溫環(huán)境對(duì)巖體造成的損傷、破裂為主[12-15]。劉泉聲等[16]通過(guò)對(duì)比歸納現(xiàn)有文獻(xiàn)，認(rèn)為國(guó)內(nèi)對(duì)裂隙巖體凍融損傷的研究主要涉及3個(gè)方面：不含水裂隙巖體的凍融循環(huán)和力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)研究；不含水和含水裂隙的凍脹擴(kuò)展數(shù)值模擬研究[15-18]；不含水和含水裂隙巖體的凍融損傷模型研究[19-21]。而國(guó)外關(guān)于裂隙中的凍脹力與裂隙巖體的凍脹擴(kuò)容研究相對(duì)較多，但也主要集中在理論探索上[22]?；诘蜏?cái)嗔蚜W(xué)理論判據(jù)及斷裂力學(xué)參數(shù)的研究較少，而且主要是研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖石斷裂力學(xué)性質(zhì)的影響，如ABDOLGHANIZADEH K等[23]研究了凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度對(duì)Lushan砂巖純Ⅰ型和純Ⅱ型斷裂韌度的影響。

鑒于現(xiàn)有研究成果的不足，筆者著重研究不同低溫條件對(duì)干燥砂巖純Ⅰ型和純Ⅱ型斷裂模式下的斷裂韌度，以及工程中更常見的Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂模式下的等效斷裂韌度的影響，以期找到其影響規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 斷裂韌度計(jì)算過(guò)程

1.1 計(jì)算模型

獲取巖石材料斷裂韌度的試驗(yàn)方法主要有圓梁、短棒、四點(diǎn)彎曲、巴西圓盤、裂紋人字形切槽巴西圓盤和半圓盤三點(diǎn)彎曲(SCB)等試驗(yàn)法[24-28]。SCB方法因能夠測(cè)試純Ⅰ型、Ⅰ+Ⅱ混合型和純Ⅱ型斷裂韌度而被眾多學(xué)者接受。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)也發(fā)布了用SCB法測(cè)定巖石純Ⅰ型斷裂韌度的推薦標(biāo)準(zhǔn)[29]。半圓盤三點(diǎn)彎曲試件幾何參數(shù)及不同斷裂模式如圖1所示。

R—半圓盤三點(diǎn)彎曲試件的半徑；α—通過(guò)試件幾何中心的預(yù)制裂紋長(zhǎng)度；β—裂紋與試件幾何對(duì)稱中心線的夾角，裂紋角度；2S—試件底部對(duì)稱支撐點(diǎn)之間的跨距；p—沿試件中心施加的壓力載荷。圖1 半圓盤三點(diǎn)彎曲試件幾何參數(shù)及不同斷裂模式

1.2 計(jì)算方法

斷裂韌度作為最廣泛使用的斷裂表征參數(shù)，是判斷不穩(wěn)定斷裂是否發(fā)生的首選標(biāo)準(zhǔn)[28]。采用SCB方法計(jì)算巖石斷裂韌度，研究發(fā)現(xiàn)：如果滿足某些最小試樣尺寸標(biāo)準(zhǔn)，該方法對(duì)巖石材料有效[30-31]。當(dāng)壓力載荷p等于臨界值pcr時(shí)，由式(1)和式(2)計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ和KⅡ，即為純Ⅰ型和純Ⅱ型斷裂韌度KⅠC和KⅡC,即KⅠ=KⅠC、KⅡ=KⅡC。

(1)

(2)

式中：YⅠ和YⅡ分別為純Ⅰ型和純Ⅱ型斷裂模式下的歸一化應(yīng)力強(qiáng)度因子；α/R為試件的裂紋長(zhǎng)徑比；B為半圓盤三點(diǎn)彎曲試件的厚度；S/R為跨徑比。

通過(guò)改變?cè)嚰A(yù)制裂紋角度β，可以測(cè)得不同模式下的斷裂韌度。設(shè)置預(yù)制裂紋長(zhǎng)徑比α/R=0.35，跨徑比S/R=0.5，該幾何參數(shù)下不同斷裂模式的歸一化應(yīng)力強(qiáng)度因子[32]如表1所示。

表1 不同斷裂模式下的幾何參數(shù)

(3)

式中KⅠm和KⅡm分別為按純Ⅰ型、純Ⅱ型斷裂模式下的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式計(jì)算的復(fù)合模式下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

2 試件制備及試驗(yàn)方法

2.1 試件制備

試驗(yàn)巖樣為工程現(xiàn)場(chǎng)采出的新鮮完整重慶白砂巖，其顆粒均勻，無(wú)明顯層理裂隙，為均勻各向同性材料。通過(guò)鉆取巖心、磨平端面等工序，加工成直徑2R=50 mm、厚度B=25 mm試件，并按照長(zhǎng)徑比α/R=0.35及裂紋斷裂模式，加工預(yù)制裂紋長(zhǎng)度α=8.75 mm、裂紋角度β分別為0°、30°、54°的半圓盤彎曲試件共計(jì)36個(gè)。按照溫度分為6個(gè)試驗(yàn)組(20、0、-20、-40、-60、-80 ℃)，每個(gè)試驗(yàn)組有6個(gè)試件。

2.2 干燥處理

為盡可能排除巖石中的結(jié)合水、重力水，以及附著在巖石試件表面的水蒸氣對(duì)試驗(yàn)的影響，保證砂巖試件在進(jìn)行低溫處理前處于干燥狀態(tài)，需要對(duì)砂巖試件進(jìn)行烘干處理。稱量試件的初始質(zhì)量后將其放入溫度為105～110 ℃的烘箱內(nèi)烘干，24 h內(nèi)質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%時(shí)可認(rèn)為其已被烘至恒重；取出試件置于干燥器內(nèi)冷卻至常溫(20 ℃±2 ℃)，稱量其干燥質(zhì)量后用保鮮膜緊密包裹防止水分進(jìn)入。

2.3 低溫冷凍

將溫度0、-20、-40、-60、-80 ℃試驗(yàn)組通過(guò)DW-86W28低溫冷柜進(jìn)行低溫冷凍。每個(gè)試驗(yàn)組按照預(yù)制裂紋角度0°、30°、54°分配成3組試件，每組取2個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)?？紤]到巖石的離散性，選取試驗(yàn)成功的試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為分析依據(jù)。試件低溫冷凍前先將低溫冷柜預(yù)先設(shè)定至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度，待內(nèi)部實(shí)際溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并相對(duì)穩(wěn)定之后，再將保鮮膜包裹的試件置于低溫冷柜中保持24 h，制成低溫試件，如圖2所示。

(c)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖2 砂巖試件制備及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.4 試驗(yàn)方法

采用SHIMADZU AG-IC系列立式電子萬(wàn)能精密材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),加載速率為0.15 mm/min、加載方式為位移控制。試驗(yàn)配備對(duì)應(yīng)的夾具，按照跨徑比S/R=0.5設(shè)置夾具支撐點(diǎn)之間的跨距2S為25 mm。將試件從冰柜取出后按照預(yù)先標(biāo)記好的跨距和加載點(diǎn)迅速將其安置于夾具上，盡可能減少環(huán)境溫度帶來(lái)的影響。試件在夾具上安裝完畢后，先施加0.01 kN的預(yù)緊力然后開始加載試驗(yàn)，直至試件破壞。試驗(yàn)過(guò)程采集加載力和位移等數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同溫度條件下，相同預(yù)制裂紋傾角的裂紋擴(kuò)展路徑基本相同，3種斷裂模式下試件宏觀破壞形態(tài)如圖3所示。

(c)純Ⅱ型圖3 不同斷裂模式下試件宏觀破壞形態(tài)

由圖3可知，半圓盤三點(diǎn)彎曲試件預(yù)制裂紋均沿著垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，而且低溫對(duì)砂巖試件的宏觀破壞形態(tài)幾乎沒有影響。

3種斷裂模式下峰值載荷與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 3種斷裂模式下峰值載荷—溫度曲線

由圖4可以看出，純Ⅱ型斷裂峰值載荷隨著溫度的降低逐漸增大，但在-80 ℃時(shí)略有降低；純Ⅰ型和Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂峰值載荷在20～-20 ℃時(shí)峰值載荷隨著溫度的降低而增大，在-20～-60 ℃時(shí)峰值載荷隨著溫度的降低而減小。由于巖石材料本身的不均質(zhì)性，在低溫條件下砂巖基質(zhì)收縮導(dǎo)致微裂隙在垂直于微裂隙面方向受拉，比沒有經(jīng)過(guò)低溫處理的試件更容易產(chǎn)生擴(kuò)張。同時(shí)，不同礦物的低溫收縮率存在差異，低溫處理使礦物與礦物之間、礦物與基質(zhì)之間產(chǎn)生額外的壓應(yīng)力，微裂隙尖端更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力降低，峰值強(qiáng)度降低。另外，砂巖試件內(nèi)部存在微裂隙，特別是砂巖本身顆粒尺寸較大，且顆粒間存在較多微裂紋[33-34]也是可能原因之一。

4 低溫對(duì)斷裂韌度的影響

將試驗(yàn)所得各組試件的峰值載荷數(shù)據(jù)及表1參數(shù)代入式(1)、式(2)，通過(guò)計(jì)算可得到不同溫度條件下純Ⅰ型、純Ⅱ型斷裂模式的斷裂韌度；根據(jù)式(3)計(jì)算不同溫度Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂模式的等效斷裂韌度。不同斷裂模式條件下斷裂韌度隨溫度的變化曲線如圖5所示。

圖5 3種斷裂模式條件下斷裂韌度隨溫度變化曲線

由圖5可以看出，低溫處理對(duì)3種斷裂模式砂巖試件的斷裂韌度產(chǎn)生了明顯的影響。純Ⅱ型試件在20～-60 ℃時(shí)的斷裂韌度隨溫度的降低逐漸增大，-80 ℃時(shí)略有下降；而純Ⅰ型斷裂韌度和Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型等效斷裂韌度在20～-20 ℃時(shí)隨著溫度的降低呈升高趨勢(shì)，-20～-60 ℃時(shí)隨著溫度的降低呈降低趨勢(shì)。該趨勢(shì)與峰值載荷變化趨勢(shì)一致。除-80 ℃外，純Ⅰ型和純Ⅱ型斷裂模式的斷裂韌度總體比沒有經(jīng)過(guò)低溫處理試件的斷裂韌度大。

砂巖試件在不同的斷裂方式下表現(xiàn)出了不同的低溫敏感程度。純Ⅱ型砂巖試件斷裂韌度的變化幅度與純Ⅰ型與Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂韌度變化幅度相比明顯更為平緩。在純Ⅱ型斷裂模式、Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂模式和純Ⅰ型斷裂模式條件下斷裂韌性的低溫敏感程度依次遞增。在20～-60 ℃時(shí)，純Ⅰ型的砂巖試件斷裂韌度最高，純Ⅱ型的砂巖試件斷裂韌度最低。

溫度變化對(duì)3種斷裂模式砂巖試件的斷裂韌性的影響有所不同。在20～-60 ℃時(shí)，純Ⅰ型與Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型砂巖試件斷裂韌度、等效斷裂韌度的變化幅度最大。其中20～-20 ℃斷裂韌度的增幅最為顯著；純Ⅰ型、Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型砂巖試件在-80 ℃的斷裂韌度顯著降低。

5 結(jié)論

1) 純Ⅱ型砂巖試件在20～-60 ℃時(shí)的峰值強(qiáng)度和斷裂韌度隨溫度的降低逐漸增大，在-80 ℃時(shí)略有下降；純Ⅰ型和Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型峰值強(qiáng)度和斷裂韌度在20～-20 ℃時(shí)隨著溫度的降低呈增大趨勢(shì)，在-20～-60 ℃隨著溫度的降低呈減小趨勢(shì)。

2) 在不同溫度條件下，純Ⅰ型斷裂模式的砂巖試件峰值強(qiáng)度最低、斷裂韌度最高；Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂模式的砂巖試件峰值強(qiáng)度與等效斷裂韌度均居中；純Ⅱ型斷裂模式砂巖試件峰值強(qiáng)度最高、斷裂韌度最低。

3) 溫度變化對(duì)3種斷裂模式砂巖試件的斷裂韌性的影響有所不同。純Ⅰ型與Ⅰ+Ⅱ復(fù)合型斷裂模式砂巖試件的斷裂韌度、等效斷裂韌度受低溫影響的變化幅度較大；純Ⅱ型斷裂模式砂巖試件斷裂韌度的變化幅度最小。