含层理结构面层状板岩张拉断裂的DIC试验研究

李二强 邓小卫 宋白杨 李明玉 赵宁宁 冯吉利

(1.洛阳理工学院土木工程学院,河南 洛阳 471023;2.建设综合勘察研究设计院有限公司,北京 100007;3.河南理工大学土木工程学院,河南 焦作 454000;4.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

我国各类金属矿产资源储量丰富,其中多分布于含层理、节理、裂隙等结构面的层状岩体,由于其复杂多变的各向异性力学特性,通常会引起因抗拉性能差而导致的多样工程灾害[1-2]。由此,对其相关层状岩体张拉断裂特性进行深入研究是矿山工程建设与开发的迫切需要。

据相关调查,层状岩石种类众多,主要包含常见的石灰岩、砂岩、页岩等沉积岩,以及片麻岩、板岩、千枚岩等变质岩。其中,层状板岩广泛分布于我国西北、西南等地区,伴随我国矿山资源的开发、建设,作为典型横观各向同性岩体呈现出复杂断裂破坏特征,由层状板岩引起多起巷道失稳、露天矿滑坡等严重灾害问题。国内外学者对典型层状岩开展了丰富的相关研究。如Tavallali等[3]基于室内试验研究了层状砂质板岩的抗拉力学性能及裂纹演化规律。丁长栋、Li等[4-5]基于室内试验和单弱面理论研究了层理对层状板岩抗压、抗拉强度特征和破坏机制的影响。Debecker等[6]基于试验、声发射手段和离散元对层状板岩断裂破坏进行了系统研究。Garcia-Fernandez等[7]基于系统的室内巴西劈裂和直接剪切试验,深入分析了层理与剪切破坏的密切关系。

针对层状岩断裂研究,直缝半圆盘三点弯试验(SCB,即Semi-circular bend)因其制作简单、操作方便使其在相关材料断裂研究中应用广泛[8-11]。李英杰、Wang等[10-11]均开展了层状页岩SCB试验,系统分析了不同层理倾角下的裂纹扩展与Ⅰ型断裂韧度。针对层状板岩断裂研究,当前有Ulusay、Alam等[12-13]基于V型切口三点弯岩芯梁试验和楔形劈拉开展了层状板岩张拉断裂特性的简要测试,另外主要有Li、Zhao等[14-15]开展了相关的试验和数值分析研究。当前,数字图像相关方法(DIC,即digital image correlation)因其无接触、直观形象和测量精度高等特点而广泛应用于各类试验研究[16-19]。其中,如Dutler等[16]针对层状闪长岩开展了巴西劈裂和SCB试验测定其抗拉强度和张拉断裂韧性,同时基于DIC研究了裂纹演化的全场变形规律。另外,宋义敏、Lin等[17-19]分别针对花岗岩和砂岩开展了基于DIC的岩石断裂条件下的裂纹起裂、扩展演化等破坏模式分析。

综上可见,现阶段虽然对层状板岩开展了试验、数值计算等大量研究,但是针对层状板岩SCB断裂特性以及结合DIC的张拉断裂特性研究仍较为匮乏。对此,相关研究还有待进一步深入开展。本研究利用高速相机搭建SCB测试平台,进而开展层状板岩SCB张拉断裂试验,基于DIC对加载过程中不同层理倾角层状板岩试样的断裂演化进行全场变形观测,分析不同层理倾角层状板岩在张拉断裂条件下裂纹由起裂、开展至完全断裂时表面位移变形场演化规律。

1 试验简介

1.1 试样制备

本研究所采用岩样为层状炭质板岩。取样于陕西岷县西秦岭地域山区木寨岭隧道中段,因地形险峻隧址处于地质构造板块活跃地带,褶皱及断层破碎现象显著。由现场调研可见,该处层状板岩层理发育明显,且施工裸露后巷道围岩及掌子面多呈碎裂状松散结构。现场木寨岭隧道条件如图1所示。

图1 木寨岭隧道及其赋存层状板岩Fig.1 Muzhailing tunnel and its layered slate

为保证试验较小离散性,本研究试样均取木寨岭隧道同一掌子面,按照试验要求规格和精度加工层状板岩SCB试样。其具体加工流程可分为如下三步:按特定层理状态钻取直径50 mm圆柱;将圆柱切割为厚约25 mm圆盘半成品;利用直径为0.4 mm金刚砂线锯按特定状态切割以平分圆盘,并按预定切缝切割长为10 mm直缝。由此获得不同层理倾角层状板岩SCB试样,具体试样如图2所示。

图2 层状板岩SCB试样Fig.2 SCB specimens of layered slate

1.2 试验仪器及加载简介

层状板岩承受荷载对比砂岩、花岗岩等较小,由此该岩样最适合采用小型高精密试验系统,经过前期调研测试,本研究采用单轴光弹加载仪开展SCB试验,该设备轴向最大加载为3 t,精度为0.1 N,同时具有操作简便、稳定以及精度高等试验优点,具体加载系统如图3所示。

图3 层状板岩SCB加载系统Fig.3 SCB test system for layered slate

本研究层状板岩加载以位移控制,设定速率为0.1 mm/min以满足规范和静态加载条件。由于直缝宽度为0.4 mm,则试样在缝尖应力集中显著,各组试样加载历时较短,随加载位移增大,荷载也随之增大,在达到峰值荷载时发生 “咯嘣”巨响的瞬时脆性断裂破坏。

2 试验结果

2.1 层状板岩力学响应

鉴于数据繁多,特选取MA-3 (0°)、MB-2 (30°)、MC-1 (45°)、MD-1 (60°)、ME-2 (90°)及MF-3 (divider)作为不同层理倾角下的典型层状板岩SCB试验结果进行分析,整理所得相应荷载-位移曲线如图4所示。曲线大体经历了裂隙压密、线弹性变形、简短弱屈服及跌落破坏4个阶段,可见不同层理层状板岩均呈现显著脆性断裂破坏特征。具体来说,图中层理倾角0°、30°、45°、60°、90°及divider试样最大竖向位移分别为0.473,0.394,0.375,0.356,0.436及0.306 mm;相应峰值载荷分别为227.5、192.8、166.7、144.3、136.1及267.9 N。经计算divider试样为竖直层理试样峰值荷载的1.97倍。可见,受层理影响层状板岩力学性能呈现出显著各向异性。

图4 层状板岩SCB试样典型荷载-位移曲线Fig.4 Typical load-displacement curves of the layered slate SCB specimens

2.2 层状板岩破坏形态

层状板岩破断后呈现出复杂破裂形态,分析裂缝形态和不同视角下的端口特征对研究其断裂演化规律具有重要意义。鉴于篇幅限制,对照上述力学相应分析,在此仅通过水平层理MA-3 (层理倾角0°)、竖直层理ME-2 (层理倾角90°)及divider形态的MF-3进行分析,具体断裂形态如图5所示。

图5 典型层理倾角层状板岩断裂形态Fig.5 Fracture morphology of the typical bedding layered slates

由图5(a)可见,水平层理MA-3试样含有2个平行层理面,断裂由缝尖起裂,在遭遇层理面时裂纹会沿水平弱面延伸一定距离,而在应力重分布条件下裂纹会穿越基质、沿层理弱面循环扩展形成台阶状,并最终贯通至上部加载端。由端口形态可见,由于内部层理面存在不规则现象,端口截面粗糙且呈沟壑状。针对竖直层理试样,其裂纹沿开缝尖端顺着层理面起裂并笔直扩展贯通至上部加载端,且断口表面较平滑,具体如图5(b)所示。针对divider试样,如图5(c)ME-3试样存在2条层理弱面,由于试样加工时的随机性,且上端层理距试样边界仅为约3 mm,其裂纹呈现为链式曲折扩展态势,试样端口在层理面附近存在凹凸起伏现象。

2.3 层状板岩DIC断裂演化研究

DIC基于物体变形前后特定散斑点的统计强相关性能够实现对相关材料表面位移场进行测量分析,为揭示岩石变形破坏提供了有效手段。基于DIC原理,本文通过高速相机数据获取特定时刻层状板岩表面的变形特征,从而具体分析其断裂演化特征。现以水平层理试样MA-1为例分析其ZOI (Zone of Interest)区域的变形起裂破坏特征。

如图6所示,在172 296 ms时在试样直缝尖端上侧水平层理弱面处呈现出非常规裂纹起裂。在185 906 ms时,直缝尖端发生肉眼可见的起裂破坏,此时刻对应于峰值荷载。在187 531～188 140 ms时裂纹产生穿越基质和沿层理延伸的循环扩展态势。由所得位移场云图可见,开缝尖端水平位移随持续加载,基于裂纹不断扩张演化,会产生以加载竖轴为标准的左右两侧起裂各约为0.03 mm(172 296 ms),并逐步扩展至0.14 mm(185 906 ms)及187 531 ms时刻条件下的左右侧各为约0.20 mm水平位移。

图6 基于DIC的MA-1试样张拉断裂演化过程Fig.6 Tensile fracture evolution of MA-1 specimen using DIC

鉴于篇幅,在此仅呈现不同层理倾角层状板岩试样的最终裂纹扩展形成的ZOI水平位移云图,具体如图7所示。具体来说,层理倾角30°层状板岩试样在直缝尖端处产生的水平位移约为0.38 mm,且表现出显著非对称开裂态势,同时裂纹扩展演化呈现出受层理弱面影响而产生的曲折发展态势;层理倾角45°、60°、90°及divider层状板岩试样在缝尖产生的水平位移范围值为0.08～0.12 mm,且各试样断裂扩展形态较为相似,较大差异表现为缝尖处由于扩展形态差异而呈现出的较大水平位移差。

图7 典型层状板岩水平位移云图Fig.7 Horizontal displacement nephogram of typical layered slates

3 结 论

通过开展不同层理状态下层状板岩SCB断裂试验,系统分析了木寨岭隧道层状板岩的张拉断裂力学响应及复杂断裂形态,并基于DIC开展了层状板岩断裂裂纹扩展表面位移场演化特征研究,具体结论如下:

(1)不同层理层状板岩SCB试验荷载-位移曲线发展态势较为相似,主要包含微裂隙压密变形、线弹性变形、塑性弱屈服和瞬时跌落破坏4个阶段,并呈现出峰后跌落的显著脆性断裂破坏特征。

(2)不同层理层状板岩SCB试验试样峰值荷载受层理面影响差异巨大,最大峰值荷载为最小峰值荷载的1.97倍,其中divider试样267.9 N、竖直层理试样136.1 N。

(3)层状板岩张拉断裂破坏形态复杂,不同层理试样均从直缝尖端起裂并最终发展至上部加载点,但裂纹扩展态势随层理变化而呈现出巨大差异,如水平层理试样主要呈现为基质-层理循环扩展的台阶型断裂形态;竖直层理试样断裂则笔直贯通至上部加载端;divider型试样因受板岩各层基质协同影响而形成链式曲折扩展形态。

(4)通过分析DIC下不同层理层状板岩试样缝尖至加载端散斑关注区表面水平位移场,揭示了由试样尖端起裂至裂纹扩展贯通形成的表面位移场断裂演化特征。