砂岩巴西劈裂裂纹扩展研究

杨鑫康　肖珺森　王禹

摘   要：为了研究静态加载下砂岩的巴西劈裂试验特征及裂纹扩展情况，采用非线性力学实验系统对砂岩进行静态加载，利用高速摄影采集数据，用PIV软件进行分析。经过实验和分析可知，砂岩裂纹扩展分为3个阶段：应变能积累阶段，裂纹扩展阶段，裂纹动态张拉阶段。从起裂到裂纹贯通，水平位移的梯度越来越明显，第一主应变场在开裂部位取得最大值。由力-位移曲线和功-位移曲线可知，位移为0.648mm时试件开裂，加载过程伴随着试件应变能的积累和耗散。

关键词：巴西劈裂  裂纹扩展  散斑  高速摄影

中图分类号：TU45                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0063-05

Abstract： In order to study the Brazilian splitting test characteristics and crack propagation of sandstone under static loading， the nonlinear mechanical experiment system was used to statically load sandstone. The data was collected by high-speed photography and analyzed by PIV software. Through experiments and analysis， it can be known that sandstone crack propagation is divided into three stages： strain energy accumulation stage， crack growth stage， and crack dynamic tension stage. From the cracking to the crack penetration， the gradient of the horizontal displacement becomes more and more obvious， and the first principal strain field reaches the maximum at the cracking site. From the force-displacement curve and the work-displacement curve， the specimen is cracked when the displacement is 0.648 mm， and the loading process is accompanied by the accumulation and dissipation of the strain energy of the specimen.

Key Words： Brazilian splitting; Crack propagation; Speckle; High-speed photography

随着社会的发展与科技的进步，人们在各类土建工程中遇到的关于岩石力学性质的问题也越来越复杂，也有必要进行相应的研究。岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度。虽然在工程实践中，一般不允许拉应力出现，但拉伸破坏仍然是工程岩体及自然界岩体的主要破坏形式之一，而且岩石抵抗拉应力的能力很低。岩块的抗拉强度是通过室内试验测定的，包括直接拉伸法，点荷载法，巴西劈裂法，弯曲法等。对于直接拉伸实验由于试件加工较为困难一般较少采用，更多的是采用间接法，巴西劈裂实验是大家广泛认同和使用的方法。这种方法自从20世纪40年代提出以来，作为一种间接测量岩石和混凝土抗拉強度的方法已经被普遍接受[1-2]。监测手段主要有声发射[3]，数字摄像法[4-5]，CT断层扫描法[6]等。

本文对巴西劈裂过程高速摄影拍到的图片过程进行了研究，并采用PIV软件研究了劈裂过程的位移场和应变场，得到了裂纹扩展的相关规律及应变场的演化规律。

1  实验系统和方法

此次实验采用尺寸为Φ48.91×25.09，质量107.844g，密度2.28g/cm3的砂岩进行实验，采用深部软岩非线性力学实验系统设备进行加载。实验中的裂纹扩展过程由AcutEye高速摄影系统拍摄，此高速摄影系统最高可以达到13977fps/s的拍摄速度，最大分辨率为1024pixel1024pixel，1TB的数据存储，可以满足本文实验中裂纹扩展过程的采集和记录。实验过程如图1-图3所示。

2  砂岩巴西劈裂裂纹扩展分析

由高速摄影采集到的数据如图4所示。

此实验中裂纹扩展大致分为3个阶段[7]。

第一阶段：应变能积累阶段，从图1中的起裂前到起裂的第1帧。此过程中包括原有裂缝的压密，岩石颗粒弹性变形，内部微裂缝产生—扩展产生的塑形变形。试件竖直径向压缩，水平径向伸长，高速摄影没有拍到宏观裂纹。

第二阶段：裂纹扩展阶段，从图1中的第1帧到第25帧。在这一阶段中，宏观裂纹在试件应力集中最显著的部位开始出现，由于裂缝尖端的应力集中使得裂缝进一步发展，第15时试件上部已经贯通，只有底部靠近实验台的一小部分尚未贯通，在第25帧时形成贯通的裂缝。在此过程中如果中途停止加载，裂纹的扩展将也停止。

第三阶段：裂纹动态张拉阶段，从图1中的第25帧往后。此过程中裂缝已经贯通，但是仍然具备一定的承载能力，若此时撤去外力裂缝仍将继续扩展，所以称为裂缝动态张拉阶段。

裂纹具体扩展过程如图5所示，图1-图8表示从起裂到贯通的不同时刻，可以看到试件从中间起裂，沿径向扩展，由于试验机是下部加载所以试件上部先贯通，随后试件下部，贯通标志着裂缝的彻底贯通，贯通裂缝大致沿径向，且方向大致与水平面垂直。

3  水平位移场的演变规律

利用高速摄影采集到的数据，利用PIV软件得到试件的水平位移场如图6所示。

由图6可知起裂第1帧时试件水平位移不大，说明砂岩起裂时裂纹较窄。随后随着裂纹的不断扩展，第15帧时试件左右最大位移差接近2，宏观裂纹比较明显。贯通时试件水平位移峰值出现在试件的右上部分约为0.2。随着裂纹的发展，试件水平位移场的梯度越来越明显。

4  最大主应变场的演变规律

对于巴西劈裂实验最大主应变场即为水平应变场，利用的高速摄影采集到的数据由PIV软件可得第一主应变场如图7所示。

由图7可知，在起裂的第1帧可以看到试件中央开始出现裂缝，裂缝的扩展大致沿径向，说明试件较为均匀，随后裂缝不断扩展至第25帧时已经贯通，对应于裂纹动态扩展阶段的末期。贯通时最大主应变和最小主应变的差值约为14，且最大主应变出現在试件中央部分。

5  实验过程中力和位移，功和位移的分析

由实验机采集到的数据可绘制如图8所示的力-位移，功-位移图。由力-位移图可知，在实验过程中随着加载的进行位移逐渐增大，在位移为0.648mm时开裂，此时对应的力为7.70649kN。起裂以后力开始减小，由于试件起裂后还有一定强度，所以力并未下降至0并有一定的承载能力，即下降段后的上升段，随后试件破坏，失去承载能力。由功-位移曲线可知，在未开裂阶段，随着做功的增加，试件内的应变能积累，曲线斜率较大，呈明显的上升趋势，起裂后伴随着应变能的损耗，曲线的斜率逐渐平缓。整个曲线大致反应了试件应变能的积累，损耗过程。

6  结语

（1）巴西劈裂实验中试件的裂纹扩展分为3个阶段：应变能积累阶段，裂缝扩展阶段，裂缝动态张拉阶段。

（2）随着裂纹的扩展，水平位移的梯度越来越明显，且水平位移的最大负值出现在左侧中部位置，最大正值出现在右侧上部位置。

（3）位移为0.648时试件开裂，此时对应的力为7.70649kN。

参考文献

[1] 何满潮，胡江春，熊伟，等.岩石抗拉强度特性的劈裂试验分析[J].矿业研究与开发，2005（2）：12-16.

[2] 喻勇，陈平.岩石巴西圆盘试验中的空间拉应力分布[J].岩土力学，2005（12）：1913-1916.

[3] 闵明，张强，蒋斌松，等.高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性研究[EB/OL].长江科学院报：1-7[2019-04-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1171.tv.20190213.1933.016.html.

[4] 刘冬梅，蔡美峰，周玉斌，等.岩石裂纹扩展过程的动态监测研究[J].岩石力学与工程学报，2006（3）：467-472.

[5] 代树红，马胜利，潘一山.数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子[J].岩土工程学报，2013，35（7）：1362-1368.

[6] 仵彦卿，曹广祝，王殿武.基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析[J].应用力学学报，2005（3）：484-490，513-514.

[7] 赵娜，王来贵，习彦会.巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究[J].实验力学，2015，30（6）：791-796.