裂纹角度对红砂岩试样局部化带演化影响的试验研究

原文杰

(中煤平朔发展集团， 山西 朔州 036006)

岩石的变形破坏往往伴随着工程灾害的发生，研究岩石变形破坏演化规律有助于对工程灾害的发生机制进行科学认识。由于岩石材料的非均匀特性及内部多孔结构造成岩石在破坏过程中会产生非均匀变形(即局部化变形)，非均匀变形即局部化带变形演化直接导致岩石的不同破坏形式。岩石在局部化形成后，其材料连续性被破坏，材料力学性能被弱化，研究局部化带的变形演化规律对岩土工程状态的预测预报和灾害的防治具有重要的理论意义。由于岩石材料内部微观结构的随机性导致在相同的加载条件相同岩石材料试件的研究中，局部化带演化规律往往不一样，为此研究者们在试件的制备上人为制造相对宏观的结构-预制裂纹来研究其变形演化规律。针对裂纹岩样的研究主要采用试验研究、数值模拟及相似材料模拟等方法，其断裂行为、裂纹扩展和贯通机制、裂纹岩石变形特性等方面均获得了较为丰富的研究成果。

在试验研究方面：宋义敏等[1]通过光测的观测方法，对含I型裂纹的花岗岩进行了不同加载速率下的三点弯试验，对裂纹的扩展速度、扩展角度以及初始扩展的应力强度因子等进行了研究；Wu[2]和Bazant等[3]通过快速加载试验机对大理岩、油页岩、石灰岩以及花岗岩开展了三点弯试验，对几种岩石的断裂韧性进行了测试；杨圣奇[4]对含有连续3条裂纹的砂岩试样开展了单轴压缩试验，分析总结了岩桥倾角对裂纹扩展模式等的影响规律。在数值模拟方面：赵明等[5]利用改进刚体弹簧的方法，对均质圆盘试件和预制裂纹圆盘试件的巴西劈裂过程进行了数值模拟，对比分析了两种模型试件的破坏形态；王士民等[6]利用数值模拟方法对含初始裂纹脆性岩石的破坏规律进行了研究，发现预制裂纹是岩石破坏的主要因素，岩石的不均匀性则为次生因素；王元汉等[7]采用RFPA岩石破裂过程分析软件对预制裂纹大理石试样的压剪试验进行数值模拟，对次生裂纹的扩展路径进行了研究；朱万成等[8]利用RFPA软件对含有预制不同角度裂纹的岩石试样进行了在动态载荷下的数值模拟，对比了试样在动态载荷和静态载荷作用下的破坏区别；徐涛等[9]应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)，通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟，研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为。在相似材料研究方面：陈新等[10]、Shen等[11]、Bobet等[12]利用石膏做相似材料，分别研究了不同产状和联通率裂纹、多裂纹和围压对试样破坏规律的影响；赵程等[13]采用数字图像的相关技术，对单裂纹类岩石材料的表面变形场分布特征及演化规律进行了量化；Prudencio等[14]采用水泥浆作为相似材料，分别研究了裂纹的几何分布、裂纹闭合状态等对试样破坏的影响。国内外学者在含预制裂纹岩石的断裂特征方面得到了许多有价值的研究成果，但是预制不同角度穿透裂纹对岩石局部化带的影响研究较少，需要进行更深入的研究工作。

基于此，利用CCD相机以及液压伺服机搭建试验观测测试平台，对比无预制裂纹和预制不同角度裂纹的标准试样的单轴压缩试验结果，以数字散斑相关方法分析岩石试样在单轴压缩过程中的变形演化规律，得到各砂岩试样在压缩破坏过程中的变形场和局部化带的演化特征，为存在相同外载不同角度裂纹的岩土工程实际的灾害的预防提供技术支持。

1 单轴压缩试验

1.1 试验观测系统

选用一种红砂岩，制成尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的无裂纹、预制0°/45°/90°穿透型裂纹4种试样，试样尺寸如图1(a)所示。其中含预制裂纹的岩石试样采用钻孔切割方式加工裂纹，分别在试样中部预制一条长13 mm、宽2 mm的不同角度裂纹。

试验系统主要由CCD相机、计算机及液压伺服试验机组成，分为数字图像采集系统和加载系统两部分，如图1(b)所示。

图1 试样尺寸与试验系统布置

1.2 试验过程与结果

试验开始前，将岩石试样水平放置在液压伺服机上，将压头手动调整到距离岩石试样顶端1 cm左右位置，用位移加载方式进行预压，使压头和岩石试样顶端完全接触。调整CCD相机位置和试验观测参数，对加载系统和图像采集系统进行校对时，保证加载和采集同时进行。

试验开始时，同时启动加载系统和图像采集系统。为了避免预制裂纹岩石突然断裂，液压伺服试验机对试样进行单轴位移加载的速率为0.001 mm/s。CCD相机的采集速率为2帧/s，图像分辨率为1 600 像素×1 200 像素。

试验结束后，利用数字散斑相关方法对采集的散斑图像进行分析，得到无预制裂纹以及预制不同角度裂纹试样的局部化带演化规律。不同试样破坏前局部化带演化形态云图如图2所示。

图2 不同类型红砂岩局部化带演化形态云图

2 试验结果分析

2.1 无预制裂纹红砂岩局部化带演化分析

图3为无预制裂纹红砂岩单轴加载的时间-应力曲线。取7.7%峰值应力为标识点1、87%峰值应力为标识点2、96%峰值应力为标识点3、100%峰值应力为标识点4、峰后98%峰值应力为标识点5，以2.3%峰值应力为参考点，分别对标识点1～5所对应的局部化带演化特征进行分析。

图3 无预制裂纹红砂岩加载曲线

图4为无预制裂纹红砂岩不同标识点的变形场云图，从中可以看出岩石局部化带演化过程。其中，图4(a)为图3中标识点1的变形场演化云图，对应时刻为1 351 s，加载应力为5.79 MPa，为岩石弹性变形阶段起始点，没有明显的局部化带形成，变形量较小；图4(b)为图3中标识点2的变形场演化云图，对应时刻为2 750 s，加载应力为65.17 MPa，为试件局部化带演化起始点，固定端右侧出现较明显的局部变形，变形量值达到4.1×10-4，此时弹性阶段结束；图4(c)为图3中标识点3的变形场演化云图，对应时刻为2 900 s，加载应力为71.71 MPa，加载应力出现突降，试件局部化带出现大幅度增加；图4(d)为图3中标识点4的变形场演化云图，对应时刻为2 975 s，加载应力为74.44 MPa，为加载应力峰值点，试件局部化带尺寸小幅度增长；图4(e)为图3中标识点5的变形场演化云图，对应时刻为3 044 s，峰后加载应力为73.19 MPa，出现一条较长的局部化带，变形量值为1×10-3，此时加载应力突然跌落，岩石试件沿着该局部化带形成宏观裂纹并发生破坏。

图4 无裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图

根据上述对无预制裂纹红砂岩单轴加载试验中变形场演化特征的分析可知，试件的局部化带形成由固定端(底部)开始，并随着荷载的增加，局部化带向加载端扩展(顶部)，最终在应力峰值后沿着局部化发生宏观破坏，破坏形式不固定。

2.2 0°裂纹红砂岩局部化带演化分析

图5为预制0°裂纹红砂岩单轴加载的时间-应力曲线。取9.5%峰值应力为标识点1、82%峰值应力为标识点2、91%峰值应力为标识点3、95%峰值应力为标识点4、100%峰值应力为标识点5，以3.7%峰值应力为参考点，分别对标识点1～5所对应的局部化带演化特征进行分析。

图5 0°裂纹红砂岩加载曲线

图6为0°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图，从中可以看出预制0°裂纹红砂岩局部化带的演化特征。图6(a)对应图5标识点1，加载应力为4.51 MPa，没有明显的局部化带，变形量较小，标识点1为岩石弹性变形阶段起始点；图6(b)对应图5标识点2，加载应力为38.83 MPa，0°裂纹右侧出现局部化带，变形量值达到5.5×10-4，标识点2为试件裂纹右侧局部化带演化起始点；图6(c)对应图5标识点3，应力为42.63 MPa，变形量值为12×10-4，裂纹右侧局部化带沿着加载方向继续扩展，裂纹左侧出现局部化带，标识点3为试样裂纹左侧局部化带演化起始点；图6(d)对应图5标识点4，加载应力为44.67 MPa，相较于图6(c)来说，裂纹右侧局部化带呈钝角向固定端缓慢增加，裂纹左侧局部化带呈锐角向加载端快速增加，标识点4为裂纹两侧局部化带达到一致时的临界点；图6(e)对应图5中标识点5，加载应力为47.10 MPa，为峰值应力，裂纹两侧出现两条较长的局部化带，变形量值为2×10-3，此后加载应力上下起伏并突然跌落，岩石试件沿着该局部化带形成宏观裂纹并发生破坏。

图6 0°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图

根据上述对预制0°裂纹红砂岩单轴加载试验中变形场演化特征的分析可知，局部化带在裂纹的两尖端开始形成，随着载荷的增加，左右两裂纹尖端局部化带与加载方向呈一定角度开始演化，并形成相对平行的两条局部化带，最终试样沿着两条局部化带和裂纹尖端形成宏观剪切型破坏。

2.3 45°裂纹红砂岩局部化带演化分析

图7为预制45°裂纹红砂岩单轴加载的时间-应力曲线。取5.9%峰值应力为标识点1、80%峰值应力为标识点2、89%峰值应力为标识点3、100%峰值应力为标识点4、峰后97%峰值应力为标识点5，以3.7%峰值应力为参考点，分别对标识点1～5所对应局部化带的演化特征进行分析。

图7 45°裂纹红砂岩加载曲线

图8为45°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图，从中可以看出预制45°裂纹红砂岩局部化带的演化特征。图8(a)对应图7标识点1，加载应力为2.98 MPa，变形量较小，标识点1为岩石弹性变形阶段起始点；图8(b)对应图7标识点2，加载应力为40.60 MPa，45°裂纹附近出现局部化带，变形量值达到3.5×10-4，标识点2为试件裂纹附近局部化带演化起始点；图8(c)对应图7标识点3，加载应力为45.43 MPa，裂纹右侧尖端局部化带朝着加载端扩展，标识点3为试件裂纹右侧尖端局部化带演化起始点；图8(d)对应图7标识点4，加载应力为50.90 MPa，为应力峰值点，裂纹左侧尖端呈现局部化带，并朝着固定端扩展，裂纹右侧尖端局部化带继续朝着加载端扩展，标识点4为裂纹左侧尖端局部化带演化起始点；图8(e)对应图7标识点5，加载应力为49.25 MPa，为峰后应力，裂纹左侧尖端局部化带扩展到固定端，且变形量增加，裂纹右侧尖端局部化带接近加载端，变形量值为2.5×10-3，此后加载应力上下起伏并突然跌落，岩石试件沿着该局部化带形成宏观裂纹并发生破坏。

图8 45°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图

根据上述对预制45°裂纹红砂岩单轴加载试验中变形场演化的分析可知，随着加载的进行，局部化带沿着裂纹尖端开始发展，且随着荷载的增加局部化带逐渐形成平行于加载方向演化，最终试样沿着局部化带形成宏观劈裂型破坏。

2.4 90°裂纹红砂岩局部化带演化分析

图9为预制90°裂纹红砂岩单轴加载的时间-应力曲线，取12%峰值应力为标识点1、80%峰值应力为标识点2、77%峰值应力为标识点3、93%峰值应力为标识点4、100%峰值应力为标识点5，以5.2%峰值应力为参考点，分别对标识点1～5所对应的局部化带演化特征进行分析。

图9 90°裂纹红砂岩加载曲线

图10为90°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图，从中可分析预制90°裂纹红砂岩局部化带演化特征。图10(a)对应图9标识点1，加载应力为6.39 MPa，变形量较小，为岩石弹性变形阶段起始点；图10(b)对应图9标识点2，加载应力为41.21 MPa，裂纹尖端分别出现局部化带，近似呈“X”形状，变形量值为6.7×10-4，为试件裂纹尖端局部化带演化起始点；图10(c)对应图9标识点3，应力为45.43 MPa，裂纹尖端产生的变形量值不断增加，达到9.1×10-4；图10(d)对应图9标识点4，加载应力为49.55 MPa，裂纹尖端右上方局部化带继续扩展，变形量值为12×10-4；图10(e)对应图9标识点5，加载应力为53.23 MPa，为峰值应力，裂纹尖端产生的局部化带呈“X”形，变形量值为1.6×10-3，此后加载应力上下起伏并突然跌落，岩石试件沿着该局部化带形成宏观裂纹并发生破坏。

图10 90°裂纹红砂岩不同标识点的变形场演化云图

根据上述对预制90°裂纹红砂岩单轴加载试验中变形场演化特征的分析可知，随着载荷的增加，在裂纹附近形成“X”形局部化带，且最终发生“X”形宏观破坏。

3 结论

1)无预制裂纹红砂岩的峰值应力为74.44 MPa，预制0°/45°/90°裂纹红砂岩的峰值应力分别为47.10、50.90、53.20 MPa；相对无预制裂纹红砂岩试样而言，预制裂纹红砂岩试样的峰值应力明显降低。

2)无预制裂纹红砂岩局部化带初始形成于固定端，随着荷载的增加向加载端演化，局部化带演化与加载方向无固定关系；预制裂纹红砂岩试样局部化带产生于裂纹两端，其中0°裂纹试样局部化带与加载方向呈一定角度向加载端和固定端演化，45°裂纹试样岩局部化带与加载方向呈平行方式向加载端和固定端演化，90°裂纹试样局部化带呈“X”形向加载端和固定端演化。

3)在相同加载方式下，裂纹角度影响岩石试样的破坏形式，随着裂纹角度的变化，破坏形式由单剪向劈裂向“X”形(双剪)演化，即裂纹面与加载方向呈90°时发生单剪切破坏，呈45°时发生劈裂破坏，平行时发生“X”形(双剪)破坏。