高強(qiáng)硅粉砂漿材料模型單裂隙試樣破壞特性研究

高強(qiáng)硅粉砂漿材料模型單裂隙試樣破壞特性研究

1裂隙擴(kuò)展特性在項(xiàng)目安全領(lǐng)域，裂縫巖體是當(dāng)前規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理中應(yīng)考慮的重要因素。裂隙的孕育、萌生、起裂、擴(kuò)展不僅與裂隙的結(jié)構(gòu)特性(幾何分布形式、結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性)有關(guān),而且與巖體的應(yīng)力環(huán)境(圍壓、靜力和動(dòng)力)相關(guān)。在早期的巖體破裂行為研究中,裂隙被抽象為一條賦存于二維均質(zhì)介質(zhì)中的直線裂紋,在施加外力后產(chǎn)生張、剪及復(fù)合新裂紋,并用這些新裂紋描述裂隙巖體破壞形態(tài)。從二維形態(tài)上看,二維試驗(yàn)解釋了裂隙擴(kuò)展的機(jī)制和破壞形態(tài),但是,實(shí)際工程中的裂隙萌生、起裂、擴(kuò)展和演化均發(fā)生在三維空間,二維解無法完全向三維問題推廣,現(xiàn)有的斷裂力學(xué)理論在三維環(huán)境中要么在數(shù)學(xué)上無解,要么與三維試驗(yàn)觀察現(xiàn)象相悖。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步,許多學(xué)者通過電鏡、CT掃描、聲發(fā)射等技術(shù),對(duì)三維裂隙的擴(kuò)展過程及破裂機(jī)制進(jìn)行研究。香港理工大學(xué)的R.H.C.Wong等利用多種巖石、有機(jī)玻璃、樹脂、水泥和石膏等相似材料制作含有預(yù)制三維裂隙的樣品,在單軸、雙軸條件下系統(tǒng)研究了裂隙走向(與主壓應(yīng)力的夾角)和裂隙深度對(duì)其擴(kuò)展形態(tài)的影響等,試驗(yàn)中不僅發(fā)現(xiàn)了花瓣形裂紋(III型裂紋),而且還得到了一些重要認(rèn)識(shí),例如,表面裂隙的擴(kuò)展方式受裂隙深度d與樣品厚度t的比值d/t控制:當(dāng)d/t>1/3時(shí),裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度較大,其擴(kuò)展形態(tài)與二維裂紋相似;當(dāng)d/t<1/3時(shí),巖石樣品預(yù)制裂隙的破裂模式是以一種新的方式,即反翼裂紋模式為主,且新生的反翼裂紋的起裂位置并不在預(yù)制裂隙的端部。郭彥雙等對(duì)單軸壓縮荷載作用下張開型表面裂隙輝長(zhǎng)巖試樣進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究,給出表面裂紋傾角與起裂應(yīng)力之間的關(guān)系,并定性分析了反翼裂紋的斷裂機(jī)制。劉力強(qiáng)等在雙軸壓縮條件下采用多種觀測(cè)手段,開展了房山花崗閃長(zhǎng)巖中的表面裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn),認(rèn)為試樣表面的反翼裂紋是貝殼狀裂紋(III型裂紋)斷口切割的跡線,是表面的似二維擴(kuò)展向三維擴(kuò)展的關(guān)鍵。謝海峰等采用反平面剪切盒試驗(yàn)研究反平面剪切(III型)加載下脆性巖石斷裂特征,表明反平面壓剪試樣的斷裂軌跡基本上沿原裂紋面,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的剪切破壞特征,試件破壞以剪切斷裂(Ⅱ型)為主,增加側(cè)壓可抑制裂紋尖端的拉應(yīng)力,導(dǎo)致巖石產(chǎn)生沿原裂紋面擴(kuò)展的反平面剪切(III型)斷裂。李廷春等在三軸壓縮荷載作用下,借助CT掃描技術(shù)對(duì)含裂隙的陶瓷進(jìn)行試驗(yàn)研究,表明翼裂紋擴(kuò)展緩慢,自相似擴(kuò)展更大,而且翼裂紋的擴(kuò)展是從自相似擴(kuò)展后的邊緣開始的,預(yù)置裂隙的擴(kuò)展受圍壓影響很大,擴(kuò)展過程相當(dāng)艱難,試件破壞類似于延性破壞。郭彥雙等采用聲發(fā)射技術(shù),對(duì)透明的低溫樹脂材料和非透明的砂漿類材料進(jìn)行對(duì)比研究,表明在單軸壓縮荷載作用下,兩種材料中內(nèi)置裂隙初期破裂面形態(tài)基本一致,均為一對(duì)反對(duì)稱的包裹狀翼裂紋,但初始起裂位置有所不同,而相同條件下兩種材料的最終破裂狀態(tài)則明顯不同,透明樹脂試樣是以宏觀劈拉破裂為主,而砂漿類試樣則以宏觀剪切破裂為主?？偨Y(jié)三維裂隙的研究成果得到以下幾點(diǎn)共識(shí):(1)大量二維試驗(yàn)中觀察到的反翼裂紋實(shí)際上是III型裂紋擴(kuò)展跡線的外在表現(xiàn);(2)材料的性質(zhì)不同,裂隙的擴(kuò)展及破壞形態(tài)不同;(3)在單軸和雙軸試驗(yàn)中,借助CT、聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,是三維裂隙研究的較好選擇,但與裂隙巖體三向受力的實(shí)際相差甚遠(yuǎn),而圍壓對(duì)于裂隙的擴(kuò)展及破裂形態(tài)的影響是不可忽略的;(4)裂隙巖體表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)與破壞模式必然有著密切的聯(lián)系,但未見其相關(guān)研究成果。本文針對(duì)以往三維裂隙研究中取得的共識(shí)及存在的不足,以錦屏大理巖為原樣,從相似理論入手,選擇高強(qiáng)硅粉砂漿材料為模型材料,并在其中預(yù)制張開穿透的單裂隙,以三軸壓縮試驗(yàn)為手段,研究張開穿透單裂隙巖體的破壞模式與其力學(xué)特性的關(guān)系,探討裂隙的幾何特性和應(yīng)力環(huán)境對(duì)破壞模式的影響。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1模型材料與相似參數(shù)的測(cè)試充分研究大理巖原樣的物理力學(xué)性質(zhì),根據(jù)相似理論原理,采用高強(qiáng)硅粉砂漿材料為模型材料,單裂隙采用厚度為0.2mm的高強(qiáng)薄鋼片制作。根據(jù)配合比試驗(yàn),特制的高強(qiáng)硅粉砂漿材料的配比為425#普通硅酸鹽水泥:微硅粉:石英砂:鐵粉:高效減水劑:水=1:0.13:0.8:0.25:0.02:0.325(質(zhì)量比),將按此比例配置的混合體在高速攪拌機(jī)攪拌5~10min后,倒入預(yù)先固定在振動(dòng)臺(tái)上的模具內(nèi),以適當(dāng)?shù)念l率振搗約2min,待砂漿內(nèi)的起泡溢出后停止振動(dòng),在砂漿初凝前抽出固定的薄鋼片,模型材料靜置24h后轉(zhuǎn)入專用的水池內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d,然后進(jìn)行脫模和取樣,試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為uf06650mm×100mm。對(duì)無裂隙完整模型試樣進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試,所得相關(guān)參數(shù)平均值與完整大理巖原樣參數(shù)的對(duì)比見表1。根據(jù)相似理論原理,模型試樣與原型試樣不僅要滿足物理性質(zhì)的相似,還必須滿足力學(xué)性質(zhì)的相似性,常用式(1)的相似常數(shù)來衡量它們的相似性。表2為根據(jù)式(1)計(jì)算的相似常數(shù),滿足:式中:Cσ、Cγ、Cl、Cμ、Ce、Cf、CE、cC、Cφ、Cpt、CRC、Cδ分別為應(yīng)力、重度、幾何、泊松比、應(yīng)變、摩擦強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及變形相似常數(shù)。圖1為無裂隙完整模型試樣和完整大理巖原樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)合表1、2及圖1分析,兩者相似之處有:(1)變形都經(jīng)歷了孔隙壓密-彈性變形及微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展-裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段-破裂后階段4個(gè)階段;(2)峰值后應(yīng)力迅速跌落,脆性特征明顯;(3)擴(kuò)容規(guī)律大體一致;(4)模型材料的力學(xué)性能、物理參數(shù)與大理巖十分接近,各相似常數(shù)基本滿足相似理論要求。高強(qiáng)硅粉砂漿材料來源豐富,成本低廉,模型制作方便,凝結(jié)快速,成型容易,凝固時(shí)沒有大的收縮,作為真實(shí)巖石的替代品能夠很好模擬其受力變形特征。2.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在山東科技大學(xué)MTS815.03電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)采取全程計(jì)算機(jī)控制,試驗(yàn)圍壓采用應(yīng)力控制,軸壓采用位移控制。根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案,加工后的試樣如圖2所示。圖中,a為裂隙傾角,表示預(yù)制裂隙面與小主應(yīng)力的夾角;a為裂隙長(zhǎng)度,為預(yù)制裂隙面的正投影長(zhǎng)度;σ1、σ3為試樣受到的軸壓和圍壓。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1裂隙傾角較大時(shí),主要應(yīng)變方向上的裂隙3.圖3為圍壓為14MPa、裂隙長(zhǎng)度為13mm、不同裂隙傾角的典型試樣破壞圖片。分析圖3,當(dāng)圍壓為14MPa,裂隙長(zhǎng)度為13mm,裂隙傾角從0°增大至90°,其破壞特性規(guī)律如下:(1)各試樣的主要宏觀破壞模式為“X”型剪切破壞,即在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生翼裂紋(1)與反翼裂紋(2)組成的“)”狀和“(”狀破壞;(2)各試樣預(yù)制裂隙中部或中部延伸部位產(chǎn)生與最大主應(yīng)力方向一致的拉伸裂紋(3)(Ⅰ型裂紋),隨著裂隙傾角增加,Ⅰ型裂紋與主應(yīng)力夾角逐漸減小;(3)裂隙傾角較小時(shí)(uf061=0°、30°),預(yù)制裂隙周圍產(chǎn)生密集的破裂區(qū),表明此區(qū)域應(yīng)力分布復(fù)雜,在預(yù)制裂隙某一尖端擴(kuò)展出兩條明顯的反翼裂紋;裂隙角度較大(uf061=60°、90°),預(yù)制裂隙周邊應(yīng)力相對(duì)簡(jiǎn)單,試樣破壞以剪切破壞為主;(4)不管是翼裂紋和反翼裂紋的擴(kuò)展,還是拉伸裂紋的擴(kuò)展,很難擴(kuò)展至試樣端部,而趨向在側(cè)面貫通,形成花瓣?duì)?Ⅲ型)裂紋,隨著傾角增加,Ⅲ型裂紋范圍逐漸擴(kuò)大。同理,圖4給出了圍壓為7、21MPa,裂隙長(zhǎng)度為13mm,傾角從60°(A2-5、A2-4)增大至90°(A3-4、A3-6)時(shí)的單裂隙試樣破壞圖。由圖可見,裂隙傾角較大時(shí),其破壞規(guī)律與圖3基本一致,即試樣的破壞主要以剪切破壞為主;裂紋向試件側(cè)面擴(kuò)展形成典型的Ⅲ型裂紋,且隨著預(yù)制裂隙傾角的增加,Ⅲ型裂紋區(qū)域呈現(xiàn)逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)。3.2由拉伸裂紋引發(fā)的混裂裂裂率圖5為圍壓14MPa、裂隙角度90°時(shí),裂隙長(zhǎng)度分別為13、26、39mm的試樣破壞正、側(cè)立面圖。圖5表明:(1)試樣的主要宏觀破壞模式為“X”型剪切破壞,擴(kuò)展形式為翼裂紋(1)與反翼裂紋(2)組成的“)”和“(”狀破壞,隨著裂隙長(zhǎng)度的增加,翼裂紋(1)與反翼裂紋(2)構(gòu)成的夾角增大;(2)裂隙長(zhǎng)度較小(a(28)13mm),在大、小主應(yīng)力的共同作用下,預(yù)制裂隙傾角被重置,試樣的破裂形式為“X”型剪切破壞,在重置后的預(yù)制裂隙中部,產(chǎn)生平行于大主應(yīng)力方向的拉伸裂紋;裂隙長(zhǎng)度較大時(shí),預(yù)制裂隙沒有重置現(xiàn)象,亦無拉伸裂紋產(chǎn)生;(3)側(cè)立面圖的Ⅲ型裂紋跡線表明,隨著預(yù)制裂隙長(zhǎng)度的增加,Ⅲ型破壞范圍逐漸縮小。同理,圖6給出了圍壓21MPa、傾角為60°、裂隙長(zhǎng)度從13mm(A2-4)增加至39mm(C3-1)時(shí)的單裂隙試樣破壞圖。從圖中可以看出,單裂隙試樣的破壞規(guī)律與圖5大體一致,即裂隙長(zhǎng)度較小時(shí),在預(yù)制裂隙中部產(chǎn)生平行于大主應(yīng)力方向的拉伸裂紋;裂隙長(zhǎng)度較大時(shí),無拉伸裂紋產(chǎn)生;隨著預(yù)制裂隙長(zhǎng)度的增加,Ⅲ型裂紋破壞范圍逐漸縮小。3.3宏觀構(gòu)造破壞特性圖7為預(yù)制裂隙長(zhǎng)度a=13mm、預(yù)制裂隙傾角uf061=90°時(shí),在7、14、21MPa圍壓下的試樣破壞形態(tài)。從圖7中可以看出:(1)裂隙長(zhǎng)度為13mm的3個(gè)試樣在大、小主應(yīng)力作用下,其裂隙傾角都產(chǎn)生了不同程度的重置,試樣的破壞形式與圍壓關(guān)系密切,主要表現(xiàn)為低圍壓σ3=7MPa時(shí),以剪切-拉伸復(fù)合破壞為主;中等圍壓σ3=14MPa時(shí),為宏觀的“X”型剪切破壞,在預(yù)制裂隙中伴隨有近似平行于大主應(yīng)力的Ⅰ型裂紋;高圍壓σ3=21MPa時(shí)則表現(xiàn)為沿預(yù)制裂隙面的剪切破壞模式;(2)產(chǎn)生整體剪切破壞的A3-6試樣,在其正立面圖中,主要的宏觀裂紋為翼裂紋(1),沒有發(fā)現(xiàn)反翼裂紋(2)的跡線,由于整體剪切破壞從一個(gè)端面貫穿至側(cè)面,其側(cè)面花瓣?duì)盍鸭y僅有一半裂紋跡線。圖8為裂隙長(zhǎng)度a=13mm、裂隙傾角uf061=60°時(shí),在7、14、21MPa圍壓下的試樣破壞形態(tài)。由圖可見,預(yù)制裂隙傾角60°時(shí),隨著圍壓的增加,裂紋擴(kuò)展跡線(1)由曲折逐漸變得平滑,其試樣的主要宏觀破裂面表現(xiàn)為整體剪切破壞-“X”型剪切破壞-純剪切破壞。與圖7一致的是:高圍壓時(shí)A2-4試樣的整體剪切破壞從一個(gè)端面貫穿至側(cè)面,其側(cè)面花瓣?duì)盍鸭y僅有一半裂紋跡線,但低圍壓時(shí),A2-5試樣的破壞則從一個(gè)斷面貫穿至另一端面,除端部效應(yīng)影響外,側(cè)面未形成Ⅲ型裂紋跡線。綜合分析圖3~8的不同試樣的破壞特性,進(jìn)一步表明:(1)三軸壓縮條件下的單裂隙試驗(yàn)中,試樣的宏觀破壞主要以“X”型剪切破壞為主,特定條件下可以產(chǎn)生純剪切破壞,圍壓較低時(shí),部分試樣上產(chǎn)生平行于大主應(yīng)力的拉伸裂紋,試樣的拉伸-剪切復(fù)合破壞特征明顯;(2)大量學(xué)者通過平面單軸或雙軸試驗(yàn)觀察到的翼裂紋和反翼裂紋,從三軸試驗(yàn)來看,或是三維裂隙試驗(yàn)中Ⅲ型裂紋形成的表面跡線;(3)三維單裂隙試驗(yàn)中,Ⅲ型裂紋普遍存在,三維裂隙的側(cè)向或接觸區(qū)域滑移可能是引起Ⅲ型裂紋的擴(kuò)展、張開、貫通的主要因素;(4)Ⅲ型裂紋是由翼裂紋與反翼裂紋的擴(kuò)展軌跡構(gòu)成的花瓣?duì)钚螤?在三維裂隙試驗(yàn)中,翼裂紋和反翼裂紋很難擴(kuò)展至試樣的兩端,而在二維單裂隙試驗(yàn)中,翼裂紋向試樣端部擴(kuò)展規(guī)律明顯;(5)三軸壓縮條件下的單裂隙試樣的裂隙擴(kuò)展規(guī)律與預(yù)制裂隙關(guān)系密切,圍壓是試樣宏觀破裂模式的主要影響因素;預(yù)制裂隙長(zhǎng)度主要影響裂隙擴(kuò)展的規(guī)模,即翼裂紋和反翼裂紋擴(kuò)展的軌跡;預(yù)制裂隙傾角則是裂隙起裂的誘因。4試樣破壞模式(