楊鑫康　肖珺森　王禹

摘 ? 要：為了研究靜態(tài)加載下砂巖的巴西劈裂試驗特征及裂紋擴展情況，采用非線性力學實驗系統(tǒng)對砂巖進行靜態(tài)加載，利用高速攝影采集數(shù)據(jù)，用PIV軟件進行分析。經(jīng)過實驗和分析可知，砂巖裂紋擴展分為3個階段：應變能積累階段，裂紋擴展階段，裂紋動態(tài)張拉階段。從起裂到裂紋貫通，水平位移的梯度越來越明顯，第一主應變場在開裂部位取得最大值。由力-位移曲線和功-位移曲線可知，位移為0.648mm時試件開裂，加載過程伴隨著試件應變能的積累和耗散。

關鍵詞：巴西劈裂 ?裂紋擴展 ?散斑 ?高速攝影

中圖分類號：TU45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著社會的發(fā)展與科技的進步，人們在各類土建工程中遇到的關于巖石力學性質(zhì)的問題也越來越復雜，也有必要進行相應的研究。巖石試件在單軸拉伸時能承受的最大拉應力，稱為單軸抗拉強度，簡稱抗拉強度。雖然在工程實踐中，一般不允許拉應力出現(xiàn)，但拉伸破壞仍然是工程巖體及自然界巖體的主要破壞形式之一，而且?guī)r石抵抗拉應力的能力很低。巖塊的抗拉強度是通過室內(nèi)試驗測定的，包括直接拉伸法，點荷載法，巴西劈裂法，彎曲法等。對于直接拉伸實驗由于試件加工較為困難一般較少采用，更多的是采用間接法，巴西劈裂實驗是大家廣泛認同和使用的方法。這種方法自從20世紀40年代提出以來，作為一種間接測量巖石和混凝土抗拉強度的方法已經(jīng)被普遍接受[1-2]。監(jiān)測手段主要有聲發(fā)射[3]，數(shù)字攝像法[4-5]，CT斷層掃描法[6]等。

本文對巴西劈裂過程高速攝影拍到的圖片過程進行了研究，并采用PIV軟件研究了劈裂過程的位移場和應變場，得到了裂紋擴展的相關規(guī)律及應變場的演化規(guī)律。

1 ?實驗系統(tǒng)和方法

此次實驗采用尺寸為Φ48.91×25.09，質(zhì)量107.844g，密度2.28g/cm3的砂巖進行實驗，采用深部軟巖非線性力學實驗系統(tǒng)設備進行加載。實驗中的裂紋擴展過程由AcutEye高速攝影系統(tǒng)拍攝，此高速攝影系統(tǒng)最高可以達到13977fps/s的拍攝速度，最大分辨率為1024pixel1024pixel，1TB的數(shù)據(jù)存儲，可以滿足本文實驗中裂紋擴展過程的采集和記錄。實驗過程如圖1-圖3所示。

2 ?砂巖巴西劈裂裂紋擴展分析

由高速攝影采集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。

此實驗中裂紋擴展大致分為3個階段[7]。

第一階段：應變能積累階段，從圖1中的起裂前到起裂的第1幀。此過程中包括原有裂縫的壓密，巖石顆粒彈性變形，內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生—擴展產(chǎn)生的塑形變形。試件豎直徑向壓縮，水平徑向伸長，高速攝影沒有拍到宏觀裂紋。

第二階段：裂紋擴展階段，從圖1中的第1幀到第25幀。在這一階段中，宏觀裂紋在試件應力集中最顯著的部位開始出現(xiàn)，由于裂縫尖端的應力集中使得裂縫進一步發(fā)展，第15時試件上部已經(jīng)貫通，只有底部靠近實驗臺的一小部分尚未貫通，在第25幀時形成貫通的裂縫。在此過程中如果中途停止加載，裂紋的擴展將也停止。

第三階段：裂紋動態(tài)張拉階段，從圖1中的第25幀往后。此過程中裂縫已經(jīng)貫通，但是仍然具備一定的承載能力，若此時撤去外力裂縫仍將繼續(xù)擴展，所以稱為裂縫動態(tài)張拉階段。

裂紋具體擴展過程如圖5所示，圖1-圖8表示從起裂到貫通的不同時刻，可以看到試件從中間起裂，沿徑向擴展，由于試驗機是下部加載所以試件上部先貫通，隨后試件下部，貫通標志著裂縫的徹底貫通，貫通裂縫大致沿徑向，且方向大致與水平面垂直。

3 ?水平位移場的演變規(guī)律

利用高速攝影采集到的數(shù)據(jù)，利用PIV軟件得到試件的水平位移場如圖6所示。

由圖6可知起裂第1幀時試件水平位移不大，說明砂巖起裂時裂紋較窄。隨后隨著裂紋的不斷擴展，第15幀時試件左右最大位移差接近2，宏觀裂紋比較明顯。貫通時試件水平位移峰值出現(xiàn)在試件的右上部分約為0.2。隨著裂紋的發(fā)展，試件水平位移場的梯度越來越明顯。

4 ?最大主應變場的演變規(guī)律

對于巴西劈裂實驗最大主應變場即為水平應變場，利用的高速攝影采集到的數(shù)據(jù)由PIV軟件可得第一主應變場如圖7所示。

由圖7可知，在起裂的第1幀可以看到試件中央開始出現(xiàn)裂縫，裂縫的擴展大致沿徑向，說明試件較為均勻，隨后裂縫不斷擴展至第25幀時已經(jīng)貫通，對應于裂紋動態(tài)擴展階段的末期。貫通時最大主應變和最小主應變的差值約為14，且最大主應變出現(xiàn)在試件中央部分。

5 ?實驗過程中力和位移，功和位移的分析

由實驗機采集到的數(shù)據(jù)可繪制如圖8所示的力-位移，功-位移圖。由力-位移圖可知，在實驗過程中隨著加載的進行位移逐漸增大，在位移為0.648mm時開裂，此時對應的力為7.70649kN。起裂以后力開始減小，由于試件起裂后還有一定強度，所以力并未下降至0并有一定的承載能力，即下降段后的上升段，隨后試件破壞，失去承載能力。由功-位移曲線可知，在未開裂階段，隨著做功的增加，試件內(nèi)的應變能積累，曲線斜率較大，呈明顯的上升趨勢，起裂后伴隨著應變能的損耗，曲線的斜率逐漸平緩。整個曲線大致反應了試件應變能的積累，損耗過程。

6 ?結語

（1）巴西劈裂實驗中試件的裂紋擴展分為3個階段：應變能積累階段，裂縫擴展階段，裂縫動態(tài)張拉階段。

（2）隨著裂紋的擴展，水平位移的梯度越來越明顯，且水平位移的最大負值出現(xiàn)在左側中部位置，最大正值出現(xiàn)在右側上部位置。

（3）位移為0.648時試件開裂，此時對應的力為7.70649kN。

參考文獻

[1] 何滿潮，胡江春，熊偉，等.巖石抗拉強度特性的劈裂試驗分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2005（2）：12-16.

[2] 喻勇，陳平.巖石巴西圓盤試驗中的空間拉應力分布[J].巖土力學，2005（12）：1913-1916.

[3] 閔明，張強，蔣斌松，等.高溫下北山花崗巖劈裂試驗及聲發(fā)射特性研究[EB/OL].長江科學院報：1-7[2019-04-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1171.tv.20190213.1933.016.html.

[4] 劉冬梅，蔡美峰，周玉斌，等.巖石裂紋擴展過程的動態(tài)監(jiān)測研究[J].巖石力學與工程學報，2006（3）：467-472.

[5] 代樹紅，馬勝利，潘一山.數(shù)字圖像相關法測定巖石Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋應力強度因子[J].巖土工程學報，2013，35（7）：1362-1368.

[6] 仵彥卿，曹廣祝，王殿武.基于X-射線CT方法的巖石小裂紋擴展過程分析[J].應用力學學報，2005（3）：484-490，513-514.

[7] 趙娜，王來貴，習彥會.巴西圓盤泥巖試件裂紋擴展及應變演化實驗研究[J].實驗力學，2015，30（6）：791-796.