不同裂隙相对张开度条件下类岩石材料断裂试验与破坏机理

1、不同裂隙相对张开度条件下类岩石材料断裂试验与破坏机理论文摘要：在伺服控制单轴加载系统下对含有一条水平裂隙的类岩石试件进行加载试验，在对实验过程 及现象深入分析的基础上，结合数值分析结果，探索单压条件下含有一条水平裂隙的类岩石材料断裂损伤 破坏机制。为描述裂隙形态，引入相对张开度的概念，并规定其为裂隙张开度与裂隙长度的比值；试验和 数值分析结果表明：以相对张开度b=0.005为分界点，根据b的取值变化，裂隙体呈现出两种不同的破坏 模式裂隙尖端屈服破坏和裂隙中部受拉破坏；b取值较小时，水平裂隙尖端邻域应力强度可以应用线 弹性断裂力学渐进应力场折减后计算，b取值较大时，裂隙体的破坏始于水平裂隙中部材

2、料受横向拉时微 裂纹的出现，此时线弹性断裂力学不再适用。关键词：相对张开度；类岩石材料；水平裂隙；断裂破坏机制；线弹性断裂力学引言自1921年，英国科学家Griffith提出适合于脆性材料裂纹扩展的能量准则，1957年，美国科学家G.R.Irwin 提出应力强度因子的概念以来，断裂力学理论逐步建立起来，经过数十年的发展，断裂力学应用于金属材 料的理论渐趋完善。但是由于岩石材料和混凝土结构的材料特性与金属材料差别很大1，前者结构体内部 充满分布不规律的节理和微裂隙，而且细颗粒之间的粘结情况千差万别，这些区别使得将断裂力学理论应 用于混凝土结构及其它类岩石结构中极为困难。于骁中1、李贺2等对于断裂

3、力学在岩石和混凝土结构中 的应用作出了极大的贡献；近年来，国内许多学者在类岩石材料领域内所做的研究结果413表明断裂力 学理论可以用于解决这类材料的断裂破坏问题。线弹性断裂力学理论求解的问题集中在拉应力作用下的均质材料破坏，但是对于岩石和混凝土这类抗 压强度远远大于抗拉强度的材料，研究其在压应力作用下的材料破坏规律显得更为有意义。现阶段对于压 应力作用下含有一条预制倾斜裂隙的材料破坏规律及微裂纹起裂、扩展机制研究813已经比较成熟，但 是对于压应力作用下含有一条预制水平裂隙的材料破坏机制的研究尚未见诸文献。笔者试图根据相关试验， 结合数值分析结果，探索压应力作用下含有一条水平裂隙的类岩石材料断

4、裂损伤破坏机制。实验过程及现象分析1.1材料制备与实验为了观察预制水平裂隙类岩石材料受单向压缩情况下的力学响应，笔者采用试件养护过程中拔出铝合金 薄钢片14的方法制作试件材料，模型尺寸为150mmX30mmX200mm，铝合金薄钢片尺寸为20mmX0.4mm X40mm，裂隙位于材料体中部。水泥砂浆组分由标号425的白水泥、自来水和经1.05mm孔径筛分过的细沙组成，各组分体积配合比 为：水泥：水：细沙=2： 1： 1。浆体浇入模型后1.52小时，待其初凝基本完成后，在试件体内垂直插入 表面均匀涂抹润滑剂的铝合金片；在室温环境下静置养护24小时后拆模，并拔出铝合金片。本次试验加载装置采用高精度

5、能控制加载速度的电液伺服控制试验机，配合DCS200加载控制系统软件， 在200N/S的力控加载速度下，观察并记录试件加载过程中裂隙尖端变形特性及试件整体破坏模式。实验过程中，在试件上下受压端与机头钢块之间布置预先涂抹黄油的橡皮垫，以减弱端部效应的影响； 在试件中部放置千分表，表征试件受压过程中的横向变形特性。1.2.实验结果与分析试验过程中发现：预制贯通裂隙类岩石材料整体破坏主要有两种模式：裂隙尖端屈服破坏和裂隙中部受 拉破坏。1.2.1 裂隙尖端屈服破坏这类破坏模式是以裂隙尖端屈服破坏后引起试件斜对角线上的最大剪应力破坏为主，试件在破坏过程中 表现出比较明显的塑性特征。裂隙尖端裂纹发育时间

6、比较迟，裂纹出现后缓慢扩展，直至试件整体破坏前 并无明显裂纹加速扩展迹象，整个破坏过程持续时间约有35s，此种破坏模式下能够清楚观察到裂纹的起 裂、扩展过程；在裂纹发育前，试件横向变形开始加速，但是横向总变形量不大。1.2.2裂隙中部受拉破坏这类破坏模式以裂隙面中部材料受横向拉伸作用下的受拉破坏为主，试件破坏过程中材料塑性特征表现 不明显。加载初期，裂隙中部垂直裂隙面方向上出现长度较短，张开度较小的细裂纹；细裂纹出现后并没 有继续扩展，而是处于停滞状态，持续时间大约79s，此阶段试件的横向变形增长缓慢；继续加载，裂纹 开始加速扩展，直至试件整体发生破坏，这一过程持续时间不足2s,且横向变形加速

7、比较明显，破坏前试 件横向总变形量比较大大；此种破坏模式下裂隙尖端没有明显破坏迹象。实验过程中，笔者发现介于两种破坏模式之间的实验现象，如图5所示。加载初期，裂隙中部垂直裂 隙面方向上出现长度较短，张开度较小的细裂纹，发育一定程度后扩展停滞；继续加载，位于裂隙面上部 的竖向微裂纹逐渐消失，同时在裂隙左端点出现微裂纹，并沿加载方向向上扩展；加载继续进行，裂隙面 下部的竖向微裂纹也开始消失，同时在裂隙右端点出现微裂纹，并沿加载方向向下扩展，至此之后继续加 载，试件呈现出与第一种破坏模式相似的破坏过程。数值计算与结果分析通过对试件制作过程及试验结果认真总结、分析，笔者认为试件后期养护过程中，依靠水泥

8、砂浆水化反应 发热膨胀致使裂隙面闭合14的方法不可靠13，这种闭合裂隙生成方式不能保证裂隙面完全闭合，笔者认 为这是影响本次试验中裂隙体破坏模式不同的主因。基于上述分析，笔者假定：裂隙体材料养护过程中裂隙面依然保持平面，但其张开度不同。为描述裂 隙形态，笔者引入相对张开度b (裂隙张开度/裂隙长度)的概念，应用FLAC3D数值分析软件，基于应变 软化本构模型，对本次试验所用试件做数值分析计算(模型参数根据试验测试结果选取，列于表1)。观察 并记录裂隙周边单元的应力分布状态以及相对张开度对裂隙尖端邻域内应力强度的影响规律；并结合裂隙 尖端邻域内线弹性断裂力学应力强度理论解，探求线弹性断裂力学理论

9、在含有一条水平裂隙的类岩石试件 受单向均布压荷载作用下的适用范围。表1数值模型参数表材料密度(kg/m3)弹性模量(Pa)泊松比内摩擦角内聚力(Pa)抗拉强度(Pa)2019 2.272e9 0.2251 42 5e6 2.75e62.1裂隙相对张开度b对试件破坏模式的影响结合试验、计算条件，笔者选取7组b值，并在计算结果文件中输出裂隙尖端水平方向上01e-3m邻域 内8个单元的应力状态。b小于0.0025时，裂隙尖端邻域内有应力集中现象，且随着b值的减小而增大，随着r值的增加其强 度呈指数函数减小；b大于0.01时，裂隙尖端邻域内没有出现断裂力学理论解中的应力集中现象，加载初 期，其应力值比

10、较低，甚至出现拉应力；对于b取值0.005时，裂隙尖端邻域内应力强度变化不明显。结合本次试验现象及数值模拟结果，笔者认为：b=0.005是两种破坏模式的分界值；b0.005时，试件发生以裂隙中部岩体材料受横向拉伸破坏模式为主。2.2裂隙相对张开度b对线弹性断裂力学适用范围的影响结论单向均布压应力作用下含有一条预制水平裂隙的类岩石材料，根据其相对张开度的不同而呈现不同的 破坏模式：裂隙尖端屈服引起的斜对角线上最大剪应力破坏和裂隙上部材料受横向拉应力作用引起的拉伸破坏，两种破坏模式的b临界值分布在0.005附近；bW0.0025时，应用线弹性断裂力学计算含有一条水平裂隙的类岩石材料裂隙尖端邻域内的

11、极限应力强度时，需要对应力强度理论解进行折减，据此计算得到本次试验条件下的折减系数为0.73； bN0.005时，线弹性断裂力学预言的裂隙尖端应力集中现象没有出现，此时该理论不再适用。参考文献:1于骁中，谯常析,周群力.岩石和混凝土断裂力学M.长沙：中南工业大学出版社，1991.2李贺.岩石断裂力学M.重庆:重庆大学出版社，1988.范天佑.断裂理论基础M.北京:科学出版社,2003.王静,师俊平.有限板中裂纹应力强度因子的计算.岩石力学与工程学报，2005,24(6):963-968.王元汉，徐钺，谭国焕，等.岩体断裂的破坏机理与计算模拟.岩石力学与工程学报,2000,19(4):449-452.黄明利.非均匀岩石裂纹扩展机制的数值分析.青岛理工大学学报，2006