單軸壓縮下孔洞砂巖細(xì)觀破裂演化規(guī)律

單軸壓縮下孔洞砂巖細(xì)觀破裂演化規(guī)律趙國(guó)彥;王恩杰;吳浩;邱菊;戴怡文【摘要】采用INSTRON-1346型液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)對(duì)含圓形、梯形、馬蹄形和正方形4種孔洞的板樣紅砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并借助數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)觀測(cè)和分析砂巖試樣的變形和破裂演化過(guò)程,研究孔洞形狀對(duì)巖石力學(xué)特性和斷裂損傷演化規(guī)律的影響研究結(jié)果表明:巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著孔洞形狀的不同而有不同程度的弱化，且梯形孔洞劣化作用最明顯;含不同孔洞形狀砂巖的破壞模式整體呈對(duì)角剪切破壞，但局部破壞存在一定差異;含孔洞巖樣在單軸壓縮條件下的變形損傷和演化過(guò)程均經(jīng)歷微孔隙壓密與拉伸裂紋萌生階段、拉伸裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、次生裂紋萌生階段、次生裂紋快速擴(kuò)展階段、遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋萌生與繁衍階段以及宏觀剪切形成與破壞階段這6個(gè)階段;拉伸裂紋在加載全過(guò)程中經(jīng)歷'”張開(kāi)一閉合一重新張開(kāi)'”的過(guò)程;孔洞周圍次生裂紋的起裂大多為張拉和剪切破壞共同作用的結(jié)果，其后剪切作用逐漸對(duì)裂紋的擴(kuò)展起主導(dǎo)作用.【期刊名稱】《中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2019(050)008【總頁(yè)數(shù)】10頁(yè)(P1891-1900)【關(guān)鍵詞】巖石力學(xué);孔洞砂巖;數(shù)字圖像相關(guān)方法;孔洞形狀;裂紋擴(kuò)展【作者】趙國(guó)彥;王恩杰;吳浩;邱菊;戴怡文【作者單位】中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410083;中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410083;中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410083;中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410083;中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410083【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TU458地下采礦與隧道開(kāi)挖等地下工程會(huì)在巖體中形成孔洞。在高地應(yīng)力作用下，原生及新生裂紋可能沿孔洞周邊起裂、擴(kuò)展、貫通進(jìn)而導(dǎo)致工程巖體整體發(fā)生破壞，從而引發(fā)工作面發(fā)生冒頂塌方、片幫以及巖爆等工程災(zāi)害，嚴(yán)重危害到工作人員的生命安全和工程質(zhì)量［1-2］。因此，開(kāi)展含孔洞巖石的破裂演化規(guī)律研究對(duì)尋找控制工程安全穩(wěn)定的措施具有重要意義。近年來(lái)，人們對(duì)含孔洞巖石的破裂演化過(guò)程進(jìn)行了理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，取得了一定進(jìn)展。TANG等［3］對(duì)含預(yù)制孔洞脆性材料在壓縮載荷作用下引起的軸向劈裂破壞特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生和擴(kuò)展總是從孔洞拉伸應(yīng)力集中區(qū)開(kāi)始；楊圣奇等［4-5］采用掃描電鏡和聲發(fā)射儀實(shí)時(shí)觀測(cè)了含單孔大理巖和砂巖在單軸壓縮過(guò)程中裂紋的萌生、擴(kuò)展、演化和貫通特征，發(fā)現(xiàn)巖石裂紋首先在孔洞周邊的拉伸應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生，隨后沿加載方向或晶粒邊界逐漸向試樣端部或邊界薄弱部位擴(kuò)展；ZHAO等［6］應(yīng)用物理模型和聲發(fā)射技術(shù)，研究了含圓形孔洞脆性巖石的斷裂演化過(guò)程；LAJTAI等［7］證明了遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋與孔洞周邊剪切裂紋的搭接可導(dǎo)致巖石的整體破壞；JAEGER等［8］也證明了孔洞周邊的宏觀裂紋的產(chǎn)生總是發(fā)生在最大剪應(yīng)力區(qū)域；馬少鵬等［9］觀測(cè)了單軸壓縮下圓孔結(jié)構(gòu)巖石破壞過(guò)程及變形場(chǎng)演化特征（位移加載速度為0.02mm/min）；李英杰等［10］采用貼應(yīng)變片的電測(cè)法得到了圓孔試件在雙向不等壓加載條件下表面觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的演化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析了不等壓條件下剪切裂紋的發(fā)生機(jī)制；李地元等［11］利用高速攝像儀分析了沖擊載荷作用下預(yù)制孔洞試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、破壞模式和裂紋擴(kuò)展特性。但目前試驗(yàn)研究主要從宏觀角度出發(fā)，通過(guò)孔洞巖體中裂紋發(fā)育形態(tài)上的觀察與統(tǒng)計(jì)分析來(lái)判斷其破壞特性，而孔洞巖體的破壞過(guò)程極其復(fù)雜，從宏觀角度定性研究其破裂機(jī)制難免存在局限。同時(shí)，之前關(guān)于含孔洞巖石的破裂演化規(guī)律研究大多局限于圓形和橢圓形孔洞，而對(duì)于地下采礦與隧道開(kāi)挖中常見(jiàn)的其他孔洞形狀，如圓形、橢圓形、梯形、馬蹄形和方形等的研究較少。因此，需要從細(xì)觀角度研究含不同孔洞形狀巖體加載過(guò)程各個(gè)階段的斷裂特征，進(jìn)而為工程巖體的穩(wěn)定性分析提供參考。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digitalimagecorrelation，DIC)是一種非接觸式光學(xué)測(cè)量方法，它是通過(guò)變形前、后試件表面灰度的相關(guān)計(jì)算得到試件表面的全場(chǎng)位移和應(yīng)變，進(jìn)而獲取巖石的斷裂特征。近年來(lái)已有研究者將其應(yīng)用于巖石和混凝土的破裂演化規(guī)律分析［12-22］，但有關(guān)其應(yīng)用于含孔洞巖石的破裂演化過(guò)程研究較少［23］。為此，本文作者借助數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，從細(xì)觀角度研究單軸壓縮作用下含孔洞砂巖的破裂演化過(guò)程。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)選取均質(zhì)性較高的紅砂巖作為研究對(duì)象，其主要礦物成分為長(zhǎng)石和石英，含有部分高嶺石、綠泥石和少量的伊利石、蒙皂石、伊蒙混層、方解石等礦物。該砂巖為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑相對(duì)比較均勻，呈致密塊狀構(gòu)造，其基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。表1紅砂巖基本物理力學(xué)性質(zhì)Table1Basicphysicalandmechanicalpropertiesofsandstone參數(shù)彈性模量E/GPa泊松比v單軸抗壓強(qiáng)度oc/MPa抗拉強(qiáng)度ot/MPa密度p/(kg-m-3)波速vp/(m-s-1)內(nèi)聚力c/MPa內(nèi)摩擦角p/(°)數(shù)值24.350.25899.325.2824723174.519.0140.431.2孑L洞試樣制備為使DIC技術(shù)獲得的試樣表面信息更好地表征試樣整體的破裂演化過(guò)程，選取合適的試樣厚度至關(guān)重要。試樣不宜過(guò)厚，否則將會(huì)發(fā)生三維裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致表面裂紋的擴(kuò)展不具有代表性；同時(shí)，試樣也不宜過(guò)薄，否則將會(huì)由于平面彎曲而導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，本研究中試樣厚度選為25mm。采集的砂巖試樣經(jīng)過(guò)切割、精細(xì)打磨等工序，將砂巖塊體加工成高度(H)、寬度(W)、厚度(T)分別為150，100和25mm的長(zhǎng)方體板狀試樣。試樣表面進(jìn)行打磨以保證平整，與國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)一致。完整砂巖試樣尺寸示意圖見(jiàn)圖1，其中箭頭方向代表加載方向。采用高壓水射流切割機(jī)在加工完的砂巖試樣中心(圖1中O點(diǎn)位置)預(yù)制圓形、梯形、馬蹄形和方形4種孔洞形狀。為方便比較，保持4個(gè)孔洞面積近似相等。不同孔洞形狀及具體尺寸見(jiàn)圖2。最后在試樣表面噴涂黑白2種顏色散斑顆粒。不同砂巖試樣的尺寸和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。1.3試驗(yàn)過(guò)程圖1完整砂巖試樣尺寸示意圖Fig.1Diagramofcompletesandstonespecimensize圖2砂巖試樣預(yù)制孔洞尺寸Fig.2Sizesofpre-fabricatedholeforsandstonespecimen孔洞形狀：(a)圓形；(b)梯形；(c)馬蹄形；(d)方形數(shù)據(jù)單位：mm采用INSTRON-1346型液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)對(duì)板樣砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程采用位移加載控制，加載速率為0.6mm/min。在加載之前，在巖樣兩端涂抹凡士林以減小端部摩擦效應(yīng)。在加載過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集軸向位移和荷載數(shù)據(jù)，同時(shí)利用分辨率為2448x2050的超高解析數(shù)碼攝像機(jī)捕獲巖樣破壞全過(guò)程的數(shù)字圖像，圖像采集速率為15張/s，試樣一側(cè)擺放發(fā)光二極管燈。試驗(yàn)之后，通過(guò)精確工業(yè)三維測(cè)量技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析，計(jì)算不同時(shí)期的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等參數(shù)。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1含孔洞砂巖抗壓強(qiáng)度和變形特性分析圖3所示為單軸壓縮下含不同孔洞形狀砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可見(jiàn)：無(wú)論試樣是否有孔洞，均存在顯著的裂隙壓密階段，這主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)部存在的初始裂隙發(fā)生閉合；而試樣軸向加載應(yīng)力在峰后均發(fā)生脆性跌落。含孔洞砂巖試樣在峰前均有不同程度的應(yīng)力跌落，這是因?yàn)楹锥丛嚇釉诩虞d過(guò)程中發(fā)生局部破壞釋放能量，使峰值抗壓強(qiáng)度瞬間下降，但由于材料仍存在一定的承載力，繼續(xù)加載過(guò)程中應(yīng)力又繼續(xù)上升，直至完全破壞。此外，含孔洞砂巖在峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，這可能是因?yàn)閹r樣沿孔洞周邊逐步發(fā)生屈服破壞。同時(shí)，孔洞形狀對(duì)應(yīng)力跌落和峰值屈服平臺(tái)均有不同程度的影響。表2砂巖試樣尺寸和力學(xué)參數(shù)Table2Sizesandmechanicalparametersofsandstonespecimens試樣編號(hào)S-1-AS-1-BS-1-CS-2-AS-2-BS-2-CS-3-AS-3-BS-3-CS-4-AS-4-BS-4-CS-5-AS-5-BS-5-CW/mm100.1099.6099.90100.00100.00101.00101.0099.8099.50100.00100.1099.90100.00T/mm25.0024.9024.9025.1025.0025.9024.9024.9024.9025.0025.0025.3025.4025.2025.10H/mm150.10150.50150.40150.40149.30150.20150.30150.30150.70150.10150.30150.20150.20150.10oc/MPa101.02104.7785.0673.8872.1172.5365.7166.9060.7272.0864.7773.4469.9969.0268.29E/GPa2.112.131.861.911.891.981.851.831.741.791.791.921.901.871.86備注完整試樣圓形孔洞梯形孔洞馬蹄形孔洞方形孔洞圖3不同孔洞形狀砂巖試樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3Axialstress-straincurvesofsandstonesampleswithdifferentporeshapes1—完整試樣；2—圓形孔洞；3一梯形孔洞；4一馬蹄形孔洞；5一方形孔洞。不同孔洞形狀的峰值抗壓強(qiáng)度和彈性模量對(duì)比見(jiàn)圖4。由圖4可知：每組試樣峰值強(qiáng)度和彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)誤差均較小，說(shuō)明所選試樣均質(zhì)性較好。完整試樣的平均峰值抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為103.17MPa和20.33GPa，圓形、梯形、馬蹄形、方形孔洞的平均峰值抗壓強(qiáng)度分別為完整巖石平均峰值抗壓強(qiáng)度的70.6%，62.46%，67.94%和66.97%；平均彈性模量分別為完整巖石的94.78%，88.88%，90.16%和92.32%，這說(shuō)明含孔洞缺陷對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度和變形特性有明顯的劣化作用，并且梯形孔洞劣化作用最明顯。圖4不同孔洞形狀砂巖試樣的平均峰值強(qiáng)度和平均彈性模量Fig.4Averagepeakstrengthandelasticmodulusofsandstonesampleswithdifferentporeshapes2.2含孔洞砂巖破壞模式圖5所示為單軸壓縮下含不同形狀孔洞砂巖的宏觀破裂模式。圖中，數(shù)字表示裂紋擴(kuò)展順序，字母上標(biāo)僅表示同一時(shí)刻巖樣中不同部位出現(xiàn)的裂紋。由圖5可見(jiàn):含孔洞砂巖巖樣破裂模式與完整巖樣脆性破裂特征存在顯著差異。含孔洞砂巖巖樣軸向加載過(guò)程中，在孔洞的作用下，圍繞孔洞產(chǎn)生1條沿對(duì)角的宏觀剪切帶，而完整巖樣最終破壞形式主要以剪切破壞為主，且破壞形態(tài)較復(fù)雜。對(duì)比不同孔洞形狀的砂巖試樣的最終破壞模式和破壞順序，發(fā)現(xiàn)二者存在相同之處:首先在孔洞的左右兩側(cè)先后形成2條近似平行于加載方向的初始裂紋1和2,隨后在試樣的左上角和右下角區(qū)域分別產(chǎn)生了遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋3a和3b，最后遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展和初始裂紋的貫通形成連通孔洞的2條宏觀裂紋4a和4b；與此同時(shí)，初始裂紋也近似沿原裂紋擴(kuò)展方向以拉剪破壞形式向加載端面擴(kuò)展，形成裂紋4c和4d。在宏觀裂紋的擴(kuò)展路徑上均存在不同程度的巖屑掉落。但孔洞形狀的差異也對(duì)試樣的局部破壞產(chǎn)生影響。對(duì)于圓形孔洞試樣，在試樣破壞瞬間，由于應(yīng)力解除而在試樣左上角產(chǎn)生了1條平行于加載方向的局部拉伸裂紋4e；破壞模式單一，幾乎呈中心對(duì)稱，這可能與圓形孔洞本身性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于馬蹄形孔洞試樣，在試樣宏觀裂紋形成的同時(shí)，在宏觀裂紋4b的擴(kuò)展路徑上產(chǎn)生了1條反翼裂紋4e;在宏觀破壞瞬間應(yīng)力解除作用下，在孔洞左上角區(qū)域形成了1條拉伸裂紋4f。對(duì)于直線型邊界孔洞試樣，如梯形和方形孔洞，其局部破壞形式較復(fù)雜，局部損傷破壞更加嚴(yán)重。對(duì)于梯形孔洞，遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋在3a和3b形成的同時(shí)也產(chǎn)生了另外1條遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋3c，而這條遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋的存在使得3b和3c貫通，形成1條近似平行于加載方向的宏觀劈裂拉伸裂紋4e，同時(shí)，局部應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力極限，在試樣左上角也產(chǎn)生了1條拉剪復(fù)合裂紋4f。對(duì)于方形孔洞，同樣在宏觀破壞瞬間應(yīng)力解除作用下，在孔洞左上角區(qū)域形成了1條拉伸裂紋4e，在左下角也產(chǎn)生了1條拉剪復(fù)合裂紋4f。這些差異性的存在一方面來(lái)自于孔洞形狀和幾何參數(shù)的不同，另一方面來(lái)自巖石試樣的非均質(zhì)性。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，含弧形邊緣孔洞相對(duì)于直線型邊緣孔洞的破壞模式更加單一，這說(shuō)明弧形邊緣孔洞對(duì)裂紋擴(kuò)展具有抑制作用。圖5單軸壓縮下不同孔洞形狀砂巖的宏觀破裂模式Fig.5Macroscopicfracturemodesofsandstonewithdifferentholeshapesunderuniaxialcompression孔洞形狀：（a）完整；（b）圓形；（c）梯形；（d）馬蹄形；（時(shí)方形為了建立宏觀破壞模式與裂隙微觀破裂規(guī)律間的聯(lián)系，選取梯形孔洞試樣宏觀破壞模式（見(jiàn)圖5（c））與DIC技術(shù)獲得的最終破壞前瞬間的主應(yīng)變場(chǎng)圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。由圖6可知：孔洞試樣裂紋擴(kuò)展總是沿著主應(yīng)變最大的區(qū)域，這證明了數(shù)字圖像分析系統(tǒng)的精確性以及最大拉應(yīng)變強(qiáng)度理論的適用性。因此，可以用最大主應(yīng)變表征試樣的變形和斷裂演化過(guò)程。圖6梯形孔洞試樣破壞前瞬間的主應(yīng)變場(chǎng)圖Fig.6Majorprincipalstrainfieldsbeforefailureofatrapezoidalholespecimen2.3含孔洞砂巖變形演化與斷裂分析2.3.1應(yīng)變演化選取具有代表性的馬蹄形孔洞試樣進(jìn)行分析，以研究孔洞巖體破壞演化過(guò)程的共性。圖7所示為馬蹄形孔洞試樣裂紋擴(kuò)展過(guò)程中具有代表性的主應(yīng)變?cè)茍D。試件加載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖8。圖8中，A，B，C，D，E，F(xiàn)分別對(duì)應(yīng)圖7中的6個(gè)主應(yīng)變?cè)茍D，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力分別為36.78，58.73，64.18，64.51，72.08和69.06MPa。結(jié)合主應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試樣的破裂過(guò)程分為如下6個(gè)階段。微孔隙壓密與拉伸裂紋萌生階段(OA段)。在單軸壓縮初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較平緩，此時(shí)試件處于微孔隙壓密階段。此后應(yīng)力-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，試件處于彈性壓縮階段。隨著施加荷載逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上A點(diǎn)時(shí)，在孔洞上、下邊緣出現(xiàn)了平行于加載方向的高應(yīng)變集中(見(jiàn)圖7(a))，這說(shuō)明拉應(yīng)力首先集中于孑L洞的上、下邊緣。所用材料為脆性材料，根據(jù)最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論可求得臨界拉應(yīng)變Emax為圖7馬蹄形孔洞試樣不同應(yīng)力階段下的主應(yīng)變場(chǎng)(試樣S-4-A)Fig.7Majorprincipalstrainfieldsofhorseshoeshapedholesspecimenatdifferentstressstages(sampleS-4-A)軸向應(yīng)力/MPa:(a)36.78;(b)58.73;(c)64.18;(d)64.51;(e)72.08;(f)69.06圖8加載過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(試樣S-4-A)Fig.8Stress-straincurveofloadingprocess(sampleS-4-A)式中：ot為拉伸強(qiáng)度，MPa;E為彈性模量,MPa。由圖7(a)可得應(yīng)力集中區(qū)域的拉伸主應(yīng)變?yōu)?.07x10-2，超過(guò)了臨界拉應(yīng)變，可認(rèn)為該區(qū)域部分點(diǎn)已經(jīng)破碎形成微小裂紋，但微裂紋的范圍及密度不大，尚未成核導(dǎo)致宏觀裂紋。拉伸裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(AB段)。當(dāng)施加的軸向荷載達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上B點(diǎn)的應(yīng)力水平時(shí)，2條拉伸裂紋沿加載方向繼續(xù)增加，最大主應(yīng)變約為2.5x10-2，比A點(diǎn)的最大主應(yīng)變更大，微裂紋范圍和密度比A點(diǎn)的更大（見(jiàn)圖7（b））。同時(shí)在孔洞右邊緣出現(xiàn)較大的主應(yīng)變，最大為5.64x10-2。此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中存在一定的屈月服應(yīng)變，隨后便發(fā)生孔洞右側(cè)側(cè)幫剝落現(xiàn)象。3） 次生裂紋萌生階段（BC段）。當(dāng)施加的軸向荷載達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上C點(diǎn)的應(yīng)力水平時(shí)，由于巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展和貫通，在孔洞周邊產(chǎn)生2組對(duì)稱的變形局部化帶（呈“X”型，見(jiàn)圖7（c））,并測(cè)量得到其延伸方向與水平方向的夾角接近90°，這可能與孔洞周邊應(yīng)力集中有關(guān)。與此同時(shí)，2條初始拉伸裂紋范圍和密度均減小。4） 次生裂紋快速擴(kuò)展階段（CE段）。當(dāng)施加的軸向荷載達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上D點(diǎn)的應(yīng)力水平時(shí)，“X”型對(duì)稱變形局部化帶中的一組主應(yīng)變接近消失，另夕卜一組主應(yīng)變得到充分發(fā)展（見(jiàn)圖7（d））。這主要是受巖石材料非均質(zhì)性的影響，試樣接近破壞時(shí)形成的“X”型對(duì)稱變形局部化帶，一組擴(kuò)展速度較快，最終演化為宏觀裂紋；而另一組擴(kuò)展速度較慢，未能形成明顯的宏觀裂紋，甚至?xí)谠嚇悠茐臅r(shí)變窄、閉合。結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)：在D點(diǎn)之前的較短時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中出現(xiàn)了類似屈服臺(tái)階的短暫波動(dòng)，這可能是由這條次生裂紋擴(kuò)展引起的，與全應(yīng)變的演化規(guī)律一致。與此同時(shí)，2條拉伸裂紋幾乎消失。當(dāng)水平荷載達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的E點(diǎn)（即為峰值點(diǎn)）時(shí)，在孔壁右上角也產(chǎn)生了1條宏觀破壞帶，并有向兩端擴(kuò)展的趨勢(shì)（見(jiàn)圖7（e））。2組局部化帶不同的擴(kuò)展規(guī)律也說(shuō)明裂紋的演化具有強(qiáng)烈的非線性特征，最終宏觀破裂帶的位置除了受荷載方向和巖石結(jié)構(gòu)的影響外，也受到巖石內(nèi)部巖性、礦物組成以及非均勻性等的影響。5） 遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋萌生與繁衍階段（EF段）。當(dāng)水平荷載達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的F點(diǎn)（破壞前1/15s）時(shí)，在試樣的右上區(qū)域產(chǎn)生了較大的應(yīng)變集中（見(jiàn)圖7（f）），即為遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋發(fā)展區(qū)域；同時(shí)在孔洞右上角有局部翼裂紋的產(chǎn)生。6） 宏觀剪切形成與破壞階段（FG段）。F點(diǎn)之后的一瞬間內(nèi)，對(duì)照?qǐng)D5（d）發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋和次生裂紋相互貫通，引起整個(gè)試樣的整體破壞。結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，試樣的最終破壞并不是在峰值強(qiáng)度處，而是在峰后。總體來(lái)說(shuō)，在脆性巖石的單軸壓縮破壞過(guò)程中，巖石最后的宏觀破壞是前期損傷不斷積累的結(jié)果，而前期的損傷形式主要是預(yù)制孔洞周邊應(yīng)力集中而產(chǎn)生的局部微裂紋。對(duì)比試樣的宏觀破壞模式(見(jiàn)圖5(d))可知：裂紋起裂、擴(kuò)展、貫通過(guò)程與細(xì)觀主應(yīng)變場(chǎng)演化過(guò)程具有較高的一致性，裂紋的發(fā)展過(guò)程是高應(yīng)變區(qū)不斷蔓延的過(guò)程，也是微破裂不斷出現(xiàn)、發(fā)育以及集中成核形成宏觀裂紋的過(guò)程。同時(shí)，這也說(shuō)明局部應(yīng)力集中引起的微裂隙的產(chǎn)生并不一定對(duì)宏觀破壞模式產(chǎn)生影響，例如拉伸裂紋的擴(kuò)展演化過(guò)程。因此，宏觀裂紋擴(kuò)展并不能完全揭示試樣的損傷破壞規(guī)律，需結(jié)合細(xì)觀角度，定性和定量分析相結(jié)合，研究巖石試樣的損傷斷裂演化規(guī)律。2.3.2含孔洞砂巖變形損傷演化特征為了從細(xì)觀角度研究孔洞周邊裂紋起裂、擴(kuò)展、貫通及其所引起的巖樣整體變形的損傷演化特征，分析得到馬蹄形孔洞巖樣與圖8中應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的6個(gè)標(biāo)志性點(diǎn)的表面水平位移場(chǎng)演化云圖，如圖9所示。由圖9可知：在加載初期，微孔隙壓密，到達(dá)A點(diǎn)，孔洞周邊位移場(chǎng)隨機(jī)分布(見(jiàn)圖9(a))；繼續(xù)加載，到達(dá)B點(diǎn)，位移云圖在孔洞周邊關(guān)于加載方向軸對(duì)稱(見(jiàn)圖9(b))，這表明此時(shí)在孔洞上、下邊緣產(chǎn)生了拉應(yīng)力作用下的拉伸裂紋；隨后到達(dá)C點(diǎn)，此時(shí)由于次生裂紋的產(chǎn)生，使得孔洞左下角出現(xiàn)位移分離(見(jiàn)圖9(c))；隨著應(yīng)力的繼續(xù)增大，經(jīng)過(guò)D，E和F點(diǎn)(見(jiàn)圖9(d)，(e)和(f))，孔洞左下角和右上角均發(fā)生位移分離，最終基本呈現(xiàn)出沿對(duì)角線的2個(gè)不同區(qū)域，裂隙擴(kuò)展和宏觀破壞模式(見(jiàn)圖5(d))與水平位移突變位置一致。3含孔洞砂巖拉伸裂紋的擴(kuò)展演化規(guī)律從馬蹄形孔洞主應(yīng)變演化規(guī)律可知：初始拉伸裂紋并不是存在于整個(gè)孔洞試樣破壞過(guò)程中，而是其拉伸裂紋長(zhǎng)度達(dá)到某一峰值后逐漸消失；最終巖石的破壞并不是沿著孔洞上下邊緣，而是形成宏觀的剪切破壞帶。為定量描述拉伸裂紋的演化過(guò)程，在孔洞上、下邊緣每隔2mm選取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別編號(hào)為P1，P2,...,Pn和Q1,Q2,...,Qn，并監(jiān)測(cè)其水平應(yīng)變ex在整個(gè)加載過(guò)程的變化。測(cè)試點(diǎn)分布見(jiàn)圖10。選取P1和P3以及Q1和Q3這4個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。加載過(guò)程中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間水平應(yīng)變的變化曲線見(jiàn)圖11。圖9馬蹄形孔洞試樣不同應(yīng)力階段下的水平位移場(chǎng)(試樣S-4-A)Fig.9Horizontaldisplacementfieldsofhorseshoeshapedholesspecimenatdifferentstressstages(sampleS-4-A)軸向應(yīng)力/MPa:(a)36.78;(b)58.73;(c)64.18;(d)64.51;(e)72.08;(f)69.06圖10水平應(yīng)變ex的測(cè)試點(diǎn)分布示意圖(試樣S-4-A)Fig.10LayoutofmeasurementpointsoflateralstrainEx(sampleS-4-A)圖11加載過(guò)程中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.11Strain-timecurvesofdifferentmonitoringpointsalonghorizontalduringloading1—o-t曲線；2—測(cè)點(diǎn)P1;3—測(cè)點(diǎn)P3;4—測(cè)點(diǎn)Q1;5—測(cè)點(diǎn)Q3。由圖10和圖11可知：1)在IA號(hào)標(biāo)記位置(39.8s)之前的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的水平應(yīng)變處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)變小于3x10-3。2)在IA號(hào)標(biāo)記位置P1和P3和Q1和Q3的水平應(yīng)變均突增，并在之后一段時(shí)間內(nèi)保持快速增大的趨勢(shì)，表明孔洞上、下邊緣的拉伸裂紋起裂時(shí)間相同，均出現(xiàn)于IA號(hào)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，隨后拉伸裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。IA號(hào)到IIA號(hào)標(biāo)記點(diǎn)之間的階段對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段。3)在IIA號(hào)標(biāo)記點(diǎn)(83.11s),P1和P3的水平應(yīng)變到達(dá)峰值，隨后水平應(yīng)變均減小，說(shuō)明孔洞上邊緣拉伸裂紋在IIA號(hào)位置開(kāi)始閉合，IIA號(hào)標(biāo)記位置之后均快速跌落到一個(gè)較低的水平，因此可認(rèn)為IIA號(hào)標(biāo)記位置之后較短時(shí)間內(nèi)屬于孔洞上邊緣拉伸裂紋閉合階段；由對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知孔洞上邊緣測(cè)試點(diǎn)最大應(yīng)變出現(xiàn)在屈服階段，水平應(yīng)變跌落點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的第1次應(yīng)力跌落點(diǎn)。4）到達(dá)IIIA號(hào)標(biāo)記點(diǎn)（87.84s）,Q1和Q3的水平應(yīng)變到達(dá)峰值，隨后水平應(yīng)變均減小，說(shuō)明孔洞下邊緣拉伸裂紋在IIIA號(hào)位置開(kāi)始閉合，IIIA號(hào)標(biāo)記位置之后均快速跌落到一個(gè)較低的水平，因此可認(rèn)為IIIA號(hào)標(biāo)記位置之后較短時(shí)間內(nèi)屬于孔洞下邊緣拉伸裂紋閉合階段；由對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知孔洞下邊緣測(cè)試點(diǎn)最大應(yīng)變也出現(xiàn)在屈服階段，此水平應(yīng)變跌落點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的第2次應(yīng)力跌落點(diǎn)。5）當(dāng)所有測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變均跌落到某一較低應(yīng)變后，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均保持恒定，同時(shí)P1測(cè)試點(diǎn)的水平應(yīng)變?nèi)员瘸跏紤?yīng)變略大，P1測(cè)試點(diǎn)位置存在一定的殘余應(yīng)變，此階段拉伸裂紋近似完全閉合，但是在孔洞周邊很小的范圍內(nèi)仍存在拉應(yīng)變。當(dāng)?shù)竭_(dá)IVA號(hào)標(biāo)記點(diǎn)（試樣完全破壞瞬間）時(shí)，此時(shí)Q1和Q3測(cè)試點(diǎn)繼續(xù)跌落下降，而P1和P3測(cè)試點(diǎn)水平應(yīng)變略有增加，這說(shuō)明孔洞上邊緣拉伸裂紋重新張開(kāi)。通過(guò)以上分析可知：孔洞上、下邊緣的拉伸裂紋在加載全過(guò)程經(jīng)歷了〃張開(kāi)一閉合一重新張開(kāi)”的過(guò)程，其拉伸裂紋對(duì)試樣的宏觀破壞形式基本無(wú)影響。通過(guò)觀測(cè)加載過(guò)程中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)變的變化，對(duì)拉伸裂紋的演化規(guī)律進(jìn)行研究，獲得的拉伸裂紋的演化規(guī)律與圖7中的分析結(jié)果相一致。拉伸裂紋的閉合可能是因?yàn)榇紊鸭y的產(chǎn)生導(dǎo)致拉伸裂紋周邊的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，抑制了拉伸裂紋的擴(kuò)展，并對(duì)拉伸裂紋壓密；隨后，宏觀破壞帶的形成使得應(yīng)力釋放，原來(lái)受抑制而閉合的部分拉伸裂紋重新獲得了擴(kuò)展空間，最終拉伸裂紋又重新產(chǎn)生。為定量比較不同孔洞形狀對(duì)拉伸裂紋起裂和擴(kuò)展規(guī)律的影響，選取孔洞上、下邊緣拉伸裂紋的最大長(zhǎng)度、最大拉應(yīng)變2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)拉伸裂紋變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。分別定義觀測(cè)點(diǎn)最大水平應(yīng)變小于臨界拉應(yīng)變sxmax為孔洞上、下邊緣裂紋的臨界測(cè)試點(diǎn)（即圖10中的Pm和Qm）,各臨界測(cè)試點(diǎn)至孔洞邊緣的距離定義為孑L洞上、下邊緣拉伸裂紋的最大長(zhǎng)度（即圖10中的Lmax和Smax）;選取距離孔洞邊緣最近的上、下2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P1和Q1）水平應(yīng)變最大值sxl和sxs分別作為孔洞上、下邊緣的最大拉應(yīng)變，得到拉伸裂紋基本參數(shù)如表3所示。表3拉伸裂紋基本參數(shù)Table3Basicparametersoftensilecracks孑L洞形狀圓形梯形馬蹄形方形最大長(zhǎng)度/mm最大拉應(yīng)變/10-2LmaxSmaxgxlgxs9.1816.811.1914.7510.2328.816.4714.751.242.931.532.531.213.162.622.38由表3和圖2對(duì)比可知：1)拉伸裂紋的力學(xué)特性受孔洞形狀和幾何結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)稱邊試樣上、下邊緣最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變近似相等(如圓形和方形孔洞)；非對(duì)稱邊試樣上、下邊緣最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變不相等(如梯形和馬蹄形孔洞)。在跨度近似相等情況下，弧線形邊界(圓形孔洞和馬蹄形上邊緣)最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變普遍比直線形邊界的小，如馬蹄形孔洞上邊緣的最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變比下邊緣的小。3)直線形邊界孔洞，其最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變與跨度有關(guān)，跨度越大，其最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變?cè)酱螅淞鸭y更容易貫通整個(gè)試樣導(dǎo)致試樣整體破壞。因此，在工程實(shí)踐中，應(yīng)盡量選擇跨度小的孔洞。4含孔洞砂巖次生裂紋斷裂擴(kuò)展模式識(shí)別為了對(duì)單軸壓縮下孔洞砂巖試樣次生裂紋擴(kuò)展演化和斷裂類型(張拉、剪切或壓剪等)進(jìn)行定量分析和判斷，分別在各孔洞次生裂紋周邊布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表面水平位移(x)和豎直位移(y);同時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置裂紋的法向量與豎直位移的夾角。，通過(guò)三角轉(zhuǎn)換得到切向位移(u)和與法向位移(v),其中切向與裂紋方向平行，法向與裂紋方向垂直，如圖12(a)所示。通過(guò)研究各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的切向位移(u)和與法向位移(v)的變化情況，可以研究裂紋擴(kuò)展演化機(jī)制。圖12坐標(biāo)三角轉(zhuǎn)換及試樣S-3-B監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.12DiagramofcoordinatetriangulationandmonitoringpointsofsampleS-3-B(a)坐標(biāo)三角轉(zhuǎn)換；(b)梯形孔洞試樣S-3-B監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取編號(hào)為S-3-B的梯形孔洞試樣為例，分析次生裂紋擴(kuò)展演化和識(shí)別斷裂類型。圖12(b)所示為試樣S-3-B標(biāo)識(shí)點(diǎn)所處位置示意圖，其孔洞左上角與右下角裂紋法向量與豎直方向的夾角0分別為90°和85°。圖13(a)和13(b)所示分別為預(yù)制梯形孔洞試樣的孔洞左上角和右下角監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全程切向位移和與法向位移演化圖。由圖13可知：當(dāng)加載到第1次應(yīng)力跌落點(diǎn)(孔洞右下角裂紋起裂點(diǎn))，即為峰值抗壓強(qiáng)度的87.54%時(shí)，IIIB和IVB號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸向位移和切向位移同時(shí)發(fā)生分離，表明此時(shí)孔洞右下角次生裂紋同時(shí)發(fā)生滑移和張開(kāi)，并且軸向位移差和切向位移差近似相等，則可判斷此標(biāo)識(shí)點(diǎn)所在裂紋的起裂是張拉和剪切共同作用的結(jié)果；此后，切向位移差逐漸大于軸向位移差，表明此后剪切作用對(duì)裂紋的擴(kuò)展起主要作用。當(dāng)加載到第2次應(yīng)力跌落點(diǎn)(孔洞左上角裂紋起裂點(diǎn))，即為峰值抗壓強(qiáng)度的98.08%時(shí)，IB和IIB號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸向位移和切向位移也同時(shí)發(fā)生分離，此后切向位移差逐漸大于軸向位移差，與IIIB和IVB號(hào)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律一致。對(duì)比其他孔洞砂巖試樣次生裂紋的全程切向位移和與法向位移演化圖，可得到相同的次生裂紋擴(kuò)展規(guī)律。圖13梯形孔洞試樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移演化(試樣S-3-B)Fig.13Displacementevolutionofmonitoringpointsofsamplewithtrapezoidhole(sampleS-3-B)(a)IB和IIB號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(b)IIIB和IVB號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5結(jié)論與完整砂巖相比，孔洞的存在使砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力跌落和峰值屈服平臺(tái)?？锥葱螤顚?duì)峰值強(qiáng)度和彈性模量具有不同程度的弱化作用，且梯形孔洞劣化最明顯。含孔洞試樣的破壞模式均為對(duì)角剪切破壞，但局部破壞存在差異；含孔洞巖樣在單軸壓縮條件下的變形損傷和演化過(guò)程經(jīng)歷微孔隙壓密與拉伸裂紋萌生階段、拉伸裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、次生裂紋萌生階段、次生裂紋快速擴(kuò)展階段、遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋萌生與繁衍階段以及宏觀剪切形成與破壞階段這6個(gè)階段。拉伸裂紋在加載全過(guò)程經(jīng)歷了〃張開(kāi)一閉合一重新張開(kāi)”的過(guò)程；拉伸裂紋的最大拉伸長(zhǎng)度和最大拉應(yīng)變與孔洞形狀和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。4）孔洞周圍次生裂紋的起裂大多為張拉和剪切破壞共同作用的結(jié)果，此后剪切作用逐漸對(duì)裂紋的擴(kuò)展起主導(dǎo)作用?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】杜明瑞，靖洪文,蘇海健，等.含預(yù)制橢圓形孔洞砂巖強(qiáng)度及破壞特征試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,45(6):1164-1171.DUMingrui,JINGHongwen,SUHaijian,etal.Experimentalstudyofstrengthandfailurecharacteristicsofsandstonecontainingprefabricatedellipticalhole[J].JournalofChinaUniversityofMining&Technology,2016,45(6):1164-1171.吳愛(ài)祥，胡凱建,黃明清，等.軟弱破碎圍巖運(yùn)輸巷道變形機(jī)理及修復(fù)支護(hù)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,48(8):2162-2168.WUAixiang,HUKaijian,HUANGMingqing,etal.Deformationmechanismandrepairsupportofhaulageroadwaywithweak-fracturedsurroundingrock[J].JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology),2017,48(8):2162-2168.TANGCA,WONGRHC,CHAUKT,etal.Modelingofcompression-inducedsplittingfailureinheterogeneousbrittleporoussolids[J].EngineeringFractureMechanics,2005,72(4):597-615.楊圣奇，呂朝輝，渠濤.含單個(gè)孔洞大理巖裂紋擴(kuò)展細(xì)觀試驗(yàn)和模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(6):774-781.YANGShengqi,LUChaohui,QUTao.Investigationsofcrackexpansioninmarblehavingasinglepre-existinghole:experimentandsimulations[J].JournalofChinaUniversityofMining&Technology,2009,38(6):774-781.楊圣奇，劉相如,李玉壽.單軸壓縮下含孔洞裂隙砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(S2):3539-3546.YANGShengqi,LIUXiangru,LIYushou.Experimentalanalysisofmechanicalbehaviorofsandstonecontainingholeandfissureunderuniaxialcompression[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2012,31(S2):3539-3546.ZHAOXingdong,ZHANGHongxun,ZHUWancheng.Fractureevolutionaroundpreexistingcylindricalcavitiesinbrittlerocksunderuniaxialcompression[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2014,24(3):806-815.LAJTAIE乙LAJTAIVN.Thecollapseofcavities[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts,1975,12(4):81-86.JAEGERJC,COOKNGW.Fundamentalsofrockmechanics[J].SciencePaperbacks,1979,9(3):251-252.馬少鵬，王來(lái)貴,趙永紅.巖石圓孔結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程變形場(chǎng)演化的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)2006,27(7):1082-1086.MAShaopeng,WANGLaigui,ZHAOYonghong.Experimentalstudyondeformationfieldevolutionduringfailureprocedureofarockboreholestructure[J].RockandSoilMechanics,2006,27⑺:1082-1086.李英杰，潘一山,張頂立.巖石孔洞試件變形破壞的電測(cè)法實(shí)驗(yàn)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(4):78-82.LIYingjie,PANYishan,ZHANGDingli.Electrometricexperimentalstudyonthedeformationandfailureoftherockwithborehole[J].JournalofBeijingJiaotongUniversity,2011,35(4):78-82.李地元，成騰蛟，周韜，等.沖擊載荷作用下含孔洞大理巖動(dòng)態(tài)力學(xué)破壞特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(2):249-260.LIDiyuan,CHENGTengjiao,ZHOUTao,etal.Experimentalstudyofthedynamicstrengthandfracturingcharacteristicsofmarblespecimenswithasingleholeunderimpactloading[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2015,34(2):249-260.袁媛，潘鵬志,趙善坤，等.基于數(shù)字圖像相關(guān)法的含填充裂隙大理巖單軸壓縮破壞過(guò)程研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2018,37(2):339-351.YUANYuan,PANPengzhi,ZHAOShankun,etal.Thefailureprocessofmarblewithfilledcrackunderuniaxialcompressionbasedondigit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