三點彎曲下不同加載速率對層狀巖體中裂紋擴展規(guī)律試驗研究①

楊志良, 馬衍坤, 葉 鵬, 常仁強, 王登科, 王 猛

(1.安徽理工大學安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001;2.山東華坤地質(zhì)工程有限公司新汶礦業(yè)集團有限責任公司生產(chǎn)服務分公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

層狀巖體在工程施工中很是常見,在隧道施工、煤礦開采等工程均涉及到與層狀巖體有關的力學問題[1-2],但是目前在工程實踐中通常會忽略層理對裂紋擴展的影響。周揚一等[3]利用薄層灰?guī)r,分析了存在層理的巖石,其中裂紋的擴展趨勢,得到垂直穿過層理的I形裂紋,在弱面處發(fā)生轉(zhuǎn)折并沿弱面擴展的斷續(xù)裂紋,與層理斜交的復合型裂紋這3種裂紋形態(tài);張桂民等[4]對存在不同層理面角度的巖石進行實驗,得出層理角度對破裂模式有影響,且抗壓強度曲線呈凹型變化;梁正召等[5]研究在力學試驗中,層理面角度對試樣破裂形態(tài)的影響,當層面角度在0°和90°中間時,試塊為沿著層理方向發(fā)生剪切破壞,當角度為0°和90°時,試件強度較高,發(fā)生脆性剪切破壞;趙子江等[6]發(fā)現(xiàn)層理方向?qū)嗔秧g度值分布范圍有影響,表明在實際工程中,層理具有較大影響;許多等[7]分析在拉伸狀態(tài)下的層理對煤巖破裂的影響。以上研究均表明目前的研究主要集中在層間界面、層理角度對裂紋擴展路徑的影響,而對于弱層理的存在是如何影響裂紋擴展的研究不是很清楚,需要進一步進行實驗分析與探討。因此,利用預制裂紋且中間層是弱層理的三層三點彎曲梁的裂紋擴展路徑,分析了弱層理對此三點彎曲梁破壞過程中裂紋擴展的影響作用機制。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備

實驗利用配比的水:水泥:砂:石子=220:667:447:1016,制作強度分別是35MPa,5MPa的混凝土,制作混凝土組合體時,首先制作下層,將攪拌均勻的實驗材料倒入塑料模具中,其厚度占總體的1/3,其余部分用隔板隔開,在振動臺上振出氣泡后靜置2h。隨后以同樣的方法制作中層。最后制作下層,去除隔板,進行振動、壓實,靜置24h后進行脫模,將脫模后的試件放置在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,最后利用金剛石切割機切割成深度約為5mm的預制裂縫。

1.2 試驗方法

利用尺寸為=160mm×40mm×40mm的棱柱體試樣進行三點彎曲試驗,利用WAW-1000D電液伺服液壓萬能試驗機進行三點彎曲試驗,如圖1所示。利用位移加載方式,加載速率分別為0.06mm/min,0.3mm/min,6mm/min,直到試樣失效。

圖1 實驗裝置

利用高速攝像機對試樣三點彎曲加載過程進行拍攝記錄．在試件表面隨機噴涂黑白漆制作40mm×40mm的均勻分布的散斑。試驗過程中相機采集速率設定為500幀/s。

圖2 典型應力-應變曲線

圖3 試件三點彎曲破裂過程

2 結果與分析

2.1 破裂形態(tài)分析

根據(jù)不同加載速率下試樣的破裂過程將破裂階段劃分為3個階段,如圖2所示,Ⅰ點表示破裂階段第一階段終點,此時裂紋到達中層和下層界面;Ⅱ點表示破裂階段第二階段終點,此時裂紋到達中層和上層界面;Ⅲ點表示破裂階段第三階段終點,此時裂紋貫穿試件,試件斷裂。試樣破裂過程如圖3所示,利用紅色曲線表示裂紋的擴展路徑。

第1階段,當應力達到最大值時,試件開始產(chǎn)生裂紋,裂紋一開始出現(xiàn)在預制裂縫的尖端,并在下層持續(xù)擴展。

第2階段,此時裂紋在中層,也就是在弱層理擴展。同時觀察破裂過程圖,發(fā)現(xiàn)裂紋沒有立刻穿透中層,而是發(fā)生水平遷移;當擴展到一定距離時,裂紋會再次沿著反方向發(fā)生水平遷移。此時,上層暫時完好。

第3階段,裂紋在上層擴展。裂紋從上層下部延伸并持續(xù)擴展,最終整個試件被破壞。

2.2 應力-應變曲線特征

不同加載速率下的應力-應變曲線如圖4所示。當加載速率為0.06mm/min時,最大應力為1.94MPa,此時對應的應變?yōu)?.18;當加載速率為0.3mm/min時,最大應力為2.03MPa,此時對應的應變?yōu)?.098;當加載速率為6mm/min時,最大應力為2.66MPa,此時對應的應變?yōu)?.064。在三點彎曲試驗條件下,試件的峰值應力隨著加載速率的增加而增加,而對應峰值應力的應變有所減小。

圖4 不同加載速率下應力-應變曲線

由此可以看出在荷載的作用下,破壞裂紋在弱層理處發(fā)生彎曲,并且裂紋的擴展路徑都發(fā)生的偏移,其偏移距離與加載速率成正比。

2.3 DIC分析

利用DIC可以直觀的觀察到試件斷裂過程中不同階段的全場應變變化情況,如圖5所示。

在裂紋擴展的第一階段,此時裂紋在下層擴展,高應變集中在A區(qū)域,沿著破裂路徑發(fā)展。

第二階段,裂紋在中層擴展,高應變集中在B區(qū)域,與第一階段相比發(fā)生了水平偏移,隨著裂紋的擴展,高應變區(qū)域會發(fā)生反方向的水平遷移;在此階段中,裂縫擴展的過程中不是一條直線,高應變區(qū)域發(fā)生水平偏移,這是因為弱層理的存在阻礙了裂紋穿過層理,導致裂紋沿著層理方向發(fā)生偏移。弱層理存在時,導致裂紋擴展路徑主要是順著層理破裂與穿過層理破裂交替發(fā)生,產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的復雜的裂紋形態(tài)。且隨著加載速度增加,順著層理破裂的現(xiàn)象越明顯。

第三階段,裂紋在上層擴展,高應變集中在C區(qū)域,會趨向于豎直向上擴展的狀態(tài)。在破裂過程中,在裂紋擴展路徑的應變較大,表明在斷裂過程中,應力集中在裂縫尖端處。

圖5 不同加載速率試樣的應變演化

對比不同加載速率情況下的應變大小,當加載速率為0.06mm/min,微應變?yōu)?.2802996με,總裂紋長度為37.96mm,順層裂紋長度為3.27mm;當加載速率為0.3mm/min時,微應變?yōu)?.1543203με,總裂紋長度為38.35mm,順層裂紋長度為5.1mm;當加載速率為6mm/min,微應變?yōu)?.1202712με,總裂紋長度為44.1mm,順層裂紋長度為9.1mm?？芍獞兣c加載速率成負相關關系,這是與應力-應變曲線是相對應的,裂紋總長度與裂紋沿著層理方向偏移的長度與加載速率成正比。由此可見,加載速率的增加會促進弱層理對裂紋擴展的影響,使得弱層理的止裂效果越好。

3 結 論

(1)當試樣破壞時,裂紋總是沿著層理方向發(fā)生偏移,并且裂紋形態(tài)發(fā)生彎曲,偏移距離也隨加載速率的增加而增加。

(2)在應力-應變曲線中,應力首先增加至峰值點后隨即下降,且因為存在著弱層理,下降趨勢有所減緩。

(3)隨著加載速率的增加,弱層理的存在使得三點彎曲條件下層狀試樣的承載能力有所加強,但是對應峰值應力所產(chǎn)生的最大位移卻在減小。當加載速率從0.06mm/min增加到6mm/min,總裂紋長度從37.96mm增加到44.1mm,順層破裂裂紋長度從3.27增加到9.1。隨著加載速率的增加,弱層理的止裂效果越明顯。