不同裂隙相對張開度條件下類巖石材料斷裂試驗與破壞機理

1、不同裂隙相對張開度條件下類巖石材料斷裂試驗與破壞機理論文摘要：在伺服控制單軸加載系統(tǒng)下對含有一條水平裂隙的類巖石試件進(jìn)行加載試驗，在對實驗過程 及現(xiàn)象深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，探索單壓條件下含有一條水平裂隙的類巖石材料斷裂損傷 破壞機制。為描述裂隙形態(tài)，引入相對張開度的概念，并規(guī)定其為裂隙張開度與裂隙長度的比值；試驗和 數(shù)值分析結(jié)果表明：以相對張開度b=0.005為分界點，根據(jù)b的取值變化，裂隙體呈現(xiàn)出兩種不同的破壞 模式裂隙尖端屈服破壞和裂隙中部受拉破壞；b取值較小時，水平裂隙尖端鄰域應(yīng)力強度可以應(yīng)用線 彈性斷裂力學(xué)漸進(jìn)應(yīng)力場折減后計算，b取值較大時，裂隙體的破壞始于水平裂隙中部材

2、料受橫向拉時微 裂紋的出現(xiàn)，此時線彈性斷裂力學(xué)不再適用。關(guān)鍵詞：相對張開度；類巖石材料；水平裂隙；斷裂破壞機制；線彈性斷裂力學(xué)引言自1921年，英國科學(xué)家Griffith提出適合于脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則，1957年，美國科學(xué)家G.R.Irwin 提出應(yīng)力強度因子的概念以來，斷裂力學(xué)理論逐步建立起來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，斷裂力學(xué)應(yīng)用于金屬材 料的理論漸趨完善。但是由于巖石材料和混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性與金屬材料差別很大1，前者結(jié)構(gòu)體內(nèi)部 充滿分布不規(guī)律的節(jié)理和微裂隙，而且細(xì)顆粒之間的粘結(jié)情況千差萬別，這些區(qū)別使得將斷裂力學(xué)理論應(yīng) 用于混凝土結(jié)構(gòu)及其它類巖石結(jié)構(gòu)中極為困難。于驍中1、李賀2等對于斷裂

3、力學(xué)在巖石和混凝土結(jié)構(gòu)中 的應(yīng)用作出了極大的貢獻(xiàn)；近年來，國內(nèi)許多學(xué)者在類巖石材料領(lǐng)域內(nèi)所做的研究結(jié)果413表明斷裂力 學(xué)理論可以用于解決這類材料的斷裂破壞問題。線彈性斷裂力學(xué)理論求解的問題集中在拉應(yīng)力作用下的均質(zhì)材料破壞，但是對于巖石和混凝土這類抗 壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強度的材料，研究其在壓應(yīng)力作用下的材料破壞規(guī)律顯得更為有意義?，F(xiàn)階段對于壓 應(yīng)力作用下含有一條預(yù)制傾斜裂隙的材料破壞規(guī)律及微裂紋起裂、擴(kuò)展機制研究813已經(jīng)比較成熟，但 是對于壓應(yīng)力作用下含有一條預(yù)制水平裂隙的材料破壞機制的研究尚未見諸文獻(xiàn)。筆者試圖根據(jù)相關(guān)試驗， 結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，探索壓應(yīng)力作用下含有一條水平裂隙的類巖石材料斷

4、裂損傷破壞機制。實驗過程及現(xiàn)象分析1.1材料制備與實驗為了觀察預(yù)制水平裂隙類巖石材料受單向壓縮情況下的力學(xué)響應(yīng)，筆者采用試件養(yǎng)護(hù)過程中拔出鋁合金 薄鋼片14的方法制作試件材料，模型尺寸為150mmX30mmX200mm，鋁合金薄鋼片尺寸為20mmX0.4mm X40mm，裂隙位于材料體中部。水泥砂漿組分由標(biāo)號425的白水泥、自來水和經(jīng)1.05mm孔徑篩分過的細(xì)沙組成，各組分體積配合比 為：水泥：水：細(xì)沙=2： 1： 1。漿體澆入模型后1.52小時，待其初凝基本完成后，在試件體內(nèi)垂直插入 表面均勻涂抹潤滑劑的鋁合金片；在室溫環(huán)境下靜置養(yǎng)護(hù)24小時后拆模，并拔出鋁合金片。本次試驗加載裝置采用高精度

5、能控制加載速度的電液伺服控制試驗機，配合DCS200加載控制系統(tǒng)軟件， 在200N/S的力控加載速度下，觀察并記錄試件加載過程中裂隙尖端變形特性及試件整體破壞模式。實驗過程中，在試件上下受壓端與機頭鋼塊之間布置預(yù)先涂抹黃油的橡皮墊，以減弱端部效應(yīng)的影響； 在試件中部放置千分表，表征試件受壓過程中的橫向變形特性。1.2.實驗結(jié)果與分析試驗過程中發(fā)現(xiàn)：預(yù)制貫通裂隙類巖石材料整體破壞主要有兩種模式：裂隙尖端屈服破壞和裂隙中部受 拉破壞。1.2.1 裂隙尖端屈服破壞這類破壞模式是以裂隙尖端屈服破壞后引起試件斜對角線上的最大剪應(yīng)力破壞為主，試件在破壞過程中 表現(xiàn)出比較明顯的塑性特征。裂隙尖端裂紋發(fā)育時間

6、比較遲，裂紋出現(xiàn)后緩慢擴(kuò)展，直至試件整體破壞前 并無明顯裂紋加速擴(kuò)展跡象，整個破壞過程持續(xù)時間約有35s，此種破壞模式下能夠清楚觀察到裂紋的起 裂、擴(kuò)展過程；在裂紋發(fā)育前，試件橫向變形開始加速，但是橫向總變形量不大。1.2.2裂隙中部受拉破壞這類破壞模式以裂隙面中部材料受橫向拉伸作用下的受拉破壞為主，試件破壞過程中材料塑性特征表現(xiàn) 不明顯。加載初期，裂隙中部垂直裂隙面方向上出現(xiàn)長度較短，張開度較小的細(xì)裂紋；細(xì)裂紋出現(xiàn)后并沒 有繼續(xù)擴(kuò)展，而是處于停滯狀態(tài)，持續(xù)時間大約79s，此階段試件的橫向變形增長緩慢；繼續(xù)加載，裂紋 開始加速擴(kuò)展，直至試件整體發(fā)生破壞，這一過程持續(xù)時間不足2s,且橫向變形加速

7、比較明顯，破壞前試 件橫向總變形量比較大大；此種破壞模式下裂隙尖端沒有明顯破壞跡象。實驗過程中，筆者發(fā)現(xiàn)介于兩種破壞模式之間的實驗現(xiàn)象，如圖5所示。加載初期，裂隙中部垂直裂 隙面方向上出現(xiàn)長度較短，張開度較小的細(xì)裂紋，發(fā)育一定程度后擴(kuò)展停滯；繼續(xù)加載，位于裂隙面上部 的豎向微裂紋逐漸消失，同時在裂隙左端點出現(xiàn)微裂紋，并沿加載方向向上擴(kuò)展；加載繼續(xù)進(jìn)行，裂隙面 下部的豎向微裂紋也開始消失，同時在裂隙右端點出現(xiàn)微裂紋，并沿加載方向向下擴(kuò)展，至此之后繼續(xù)加 載，試件呈現(xiàn)出與第一種破壞模式相似的破壞過程。數(shù)值計算與結(jié)果分析通過對試件制作過程及試驗結(jié)果認(rèn)真總結(jié)、分析，筆者認(rèn)為試件后期養(yǎng)護(hù)過程中，依靠水泥

8、砂漿水化反應(yīng) 發(fā)熱膨脹致使裂隙面閉合14的方法不可靠13，這種閉合裂隙生成方式不能保證裂隙面完全閉合，筆者認(rèn) 為這是影響本次試驗中裂隙體破壞模式不同的主因?；谏鲜龇治?，筆者假定：裂隙體材料養(yǎng)護(hù)過程中裂隙面依然保持平面，但其張開度不同。為描述裂 隙形態(tài)，筆者引入相對張開度b (裂隙張開度/裂隙長度)的概念，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件，基于應(yīng)變 軟化本構(gòu)模型，對本次試驗所用試件做數(shù)值分析計算(模型參數(shù)根據(jù)試驗測試結(jié)果選取，列于表1)。觀察 并記錄裂隙周邊單元的應(yīng)力分布狀態(tài)以及相對張開度對裂隙尖端鄰域內(nèi)應(yīng)力強度的影響規(guī)律；并結(jié)合裂隙 尖端鄰域內(nèi)線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)力強度理論解，探求線彈性斷裂力學(xué)理論

9、在含有一條水平裂隙的類巖石試件 受單向均布壓荷載作用下的適用范圍。表1數(shù)值模型參數(shù)表材料密度(kg/m3)彈性模量(Pa)泊松比內(nèi)摩擦角內(nèi)聚力(Pa)抗拉強度(Pa)2019 2.272e9 0.2251 42 5e6 2.75e62.1裂隙相對張開度b對試件破壞模式的影響結(jié)合試驗、計算條件，筆者選取7組b值，并在計算結(jié)果文件中輸出裂隙尖端水平方向上01e-3m鄰域 內(nèi)8個單元的應(yīng)力狀態(tài)。b小于0.0025時，裂隙尖端鄰域內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著b值的減小而增大，隨著r值的增加其強 度呈指數(shù)函數(shù)減??；b大于0.01時，裂隙尖端鄰域內(nèi)沒有出現(xiàn)斷裂力學(xué)理論解中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加載初 期，其應(yīng)力值比

10、較低，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力；對于b取值0.005時，裂隙尖端鄰域內(nèi)應(yīng)力強度變化不明顯。結(jié)合本次試驗現(xiàn)象及數(shù)值模擬結(jié)果，筆者認(rèn)為：b=0.005是兩種破壞模式的分界值；b0.005時，試件發(fā)生以裂隙中部巖體材料受橫向拉伸破壞模式為主。2.2裂隙相對張開度b對線彈性斷裂力學(xué)適用范圍的影響結(jié)論單向均布壓應(yīng)力作用下含有一條預(yù)制水平裂隙的類巖石材料，根據(jù)其相對張開度的不同而呈現(xiàn)不同的 破壞模式：裂隙尖端屈服引起的斜對角線上最大剪應(yīng)力破壞和裂隙上部材料受橫向拉應(yīng)力作用引起的拉伸破壞，兩種破壞模式的b臨界值分布在0.005附近；bW0.0025時，應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)計算含有一條水平裂隙的類巖石材料裂隙尖端鄰域內(nèi)的

11、極限應(yīng)力強度時，需要對應(yīng)力強度理論解進(jìn)行折減，據(jù)此計算得到本次試驗條件下的折減系數(shù)為0.73； bN0.005時，線彈性斷裂力學(xué)預(yù)言的裂隙尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，此時該理論不再適用。參考文獻(xiàn):1于驍中，譙常析,周群力.巖石和混凝土斷裂力學(xué)M.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1991.2李賀.巖石斷裂力學(xué)M.重慶:重慶大學(xué)出版社，1988.范天佑.斷裂理論基礎(chǔ)M.北京:科學(xué)出版社,2003.王靜,師俊平.有限板中裂紋應(yīng)力強度因子的計算.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005,24(6):963-968.王元漢，徐鉞，譚國煥，等.巖體斷裂的破壞機理與計算模擬.巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000,19(4):449-452.黃明利.非均勻巖石裂紋擴(kuò)展機制的數(shù)值分析.青島理工大學(xué)學(xué)報，2006