田 豐

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

巖石和混凝土均為非完全彈性材料，區(qū)別于彈性材料，對(duì)巖石-混凝土界面裂紋斷裂特征的研究不能完全沿用彈性材料界面裂紋斷裂模型，需充分考慮巖石與混凝土自身材料屬性建立斷裂理論，對(duì)實(shí)際工程安全性進(jìn)行分析。界面裂紋因存在復(fù)雜的尖端應(yīng)力，已有研究方法與研究成果不盡相同，如部分研究者制備大尺寸巖石-混凝土試件，研究復(fù)雜荷載作用下巖石-混凝土界面斷裂特性，發(fā)現(xiàn)界面裂紋易向巖基方向擴(kuò)展，這對(duì)于工程安全不利[1～5]。巖石、混凝土斷裂規(guī)律離散性較大，需結(jié)合大量試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果得到穩(wěn)定的界面裂紋擴(kuò)展規(guī)律，以便為實(shí)際工程提供參考。對(duì)于大壩水庫(kù)等含界面裂紋的工程，亟須完善界面裂紋斷裂規(guī)律與安全評(píng)定方法。

1 巖石-混凝土界面材料斷裂試驗(yàn)

1.1 試件制作

單軸壓縮試件尺寸為110 mm×110 mm×110 mm（長(zhǎng)×寬×高），界面裂紋在正應(yīng)力作用下趨于閉合，使試件趨于安全，因此主導(dǎo)界面裂紋擴(kuò)展的主要因素為切應(yīng)力。本試驗(yàn)將界面做成斜界面，使裂紋可受正應(yīng)力與切應(yīng)力共同作用。將巖石切割成正方體后，再切成棱柱體（見(jiàn)圖1），在中間位置開(kāi)槽預(yù)制裂紋，為保證巖石和混凝土具有足夠的濕度，將制作完成的巖石置于混凝土養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 h。共制作6個(gè)含界面裂紋的巖石-混凝土試件（見(jiàn)圖2）。

圖1 巖石切割示意圖

圖2 巖石-混凝土試件

1.2 加載裝置

加載裝置如圖3所示，采用MatchID-2D散斑系統(tǒng)拍攝試件表面散斑場(chǎng)，系統(tǒng)分辨率為0.02 mm/pixel，采集速度設(shè)為10幀/s。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)及配套設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-位移曲線

部分試件因制作時(shí)存在一定問(wèn)題，出現(xiàn)界面裂紋未貫穿等問(wèn)題，共選用3個(gè)含界面裂紋的巖石-混凝土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試件標(biāo)號(hào)分別為DL1，DL2，DL3，單軸加載方式下的軸向荷載——位移曲線如圖4 所示。由圖4 可知，初始階段為壓密階段，軸向荷載為0～200 kN，軸向位移為0～1.2 mm，由于試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)面壓密，導(dǎo)致荷載-位移曲線呈上凹型；線彈性階段軸向荷載為200～600 kN，軸向位移為1.2～2.4 mm，荷載與位移呈線性關(guān)系；軸向位移達(dá)2.4 mm后試件破壞，整個(gè)加載過(guò)程試件未出現(xiàn)明顯的塑性變形。

圖4 荷載-位移曲線

破壞時(shí)，試件DL1、DL2、DL3 軸向荷載分別為600.6、504.3、549.0 kN，峰值應(yīng)力分別為49.6、41.7、45.4 MPa。試件破壞時(shí)的峰值應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度較接近，可知試件破壞主要因混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度而引起的整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。試件破壞前，裂紋萌生與發(fā)展伴隨整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，并未在加載曲線上反映出來(lái)，這是因?yàn)閮?nèi)部裂紋等缺陷是試件局部損傷演化的表現(xiàn)，也是損傷積累過(guò)程，損傷積累速度遠(yuǎn)較加載速率慢，且?guī)r石和混凝土均為高強(qiáng)度材料，在內(nèi)部缺陷發(fā)育過(guò)程中，瞬間的損傷積累對(duì)試件抗壓強(qiáng)度等參數(shù)的影響并不明顯。

2.2 巖石-混凝土試件破壞過(guò)程

圖5為試件DL3 在單軸加載條件下的主要破壞過(guò)程。由圖5 可知，在加載350 s 時(shí)，從左裂紋尖端逐漸發(fā)展出1 條向下延伸的裂紋帶，該裂紋帶向下擴(kuò)展形成1 條翼型裂紋，為更清晰地分析裂紋擴(kuò)展路徑，將裂紋路徑局部進(jìn)行放大；加載450 s 時(shí)，右側(cè)裂紋尖端底部形成1 條清晰的裂紋，該裂紋延伸至界面處終止，后續(xù)擴(kuò)展路徑不宜直接觀察，試件最終沿界面完全斷開(kāi)。試件最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖6。

圖5 試件DL3破壞過(guò)程

圖6 試件最終破壞形態(tài)

3 破壞過(guò)程分析

3.1 應(yīng)變場(chǎng)

試件破壞過(guò)程中不同時(shí)刻單軸壓縮下試件應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7。①由125 s 應(yīng)變場(chǎng)可知，在加載初期，試件未發(fā)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此階段為試件壓密階段。試驗(yàn)前未進(jìn)行預(yù)裂，界面裂紋未對(duì)試件變形造成明顯影響。②由200 s 應(yīng)變場(chǎng)可知，裂紋左側(cè)尖端附近開(kāi)始出現(xiàn)變形局部化帶，而右側(cè)未形成尖端。③在裂紋前段形成穩(wěn)定擴(kuò)展尖端后，應(yīng)變?cè)茍D有較大變化，局部化帶擴(kuò)展迅速，此時(shí)裂紋沿著2 個(gè)方向擴(kuò)展，且處于穩(wěn)定擴(kuò)展階段。左側(cè)裂紋斜向下向混凝土中擴(kuò)展，右側(cè)裂紋沿著界面擴(kuò)展。④由250 s 和325 s 應(yīng)變場(chǎng)可知，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程中，變形局部化帶寬度明顯變窄，局部化程度增強(qiáng)，變形局部化帶最終演化為宏觀裂紋，擴(kuò)展路徑臨近應(yīng)變相對(duì)較小，可認(rèn)為局部化區(qū)域開(kāi)始收縮時(shí)刻為裂紋起裂時(shí)刻。

圖7 試件應(yīng)變?cè)茍D

結(jié)合試件變形結(jié)果，采用數(shù)字圖像相關(guān)法得到應(yīng)變演化規(guī)律，以便更直觀地分析各階段變形特征。為更具體地說(shuō)明界面裂紋擴(kuò)展規(guī)律，選取8 個(gè)典型位置測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖8）。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置

研究結(jié)果表明：在加載初期，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變較穩(wěn)定，進(jìn)入裂紋成核階段應(yīng)變突然快速增加，裂紋起裂后，應(yīng)變?cè)黾铀俣乳_(kāi)始減緩（見(jiàn)圖9）。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)7處于裂紋擴(kuò)展路徑上，由于裂紋擴(kuò)展路徑上的材料發(fā)生損傷，在裂紋成核階段應(yīng)變迅速增大，超過(guò)試件宏觀應(yīng)變，因此測(cè)點(diǎn)應(yīng)變較大；測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)8應(yīng)變與試件宏觀應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，大小接近。典型位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化特征可反映巖石-混凝土界面裂紋起裂與擴(kuò)展規(guī)律。

圖9 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

3.2 斷裂區(qū)

在裂紋擴(kuò)展初期，并不會(huì)形成穩(wěn)定的擴(kuò)展方向，而是首先在裂紋尖端附近形成很多條微裂紋，直至形成新的穩(wěn)定擴(kuò)展尖端。在預(yù)制裂紋2個(gè)尖端分別設(shè)置1個(gè)觀測(cè)區(qū)，使觀測(cè)區(qū)覆蓋裂紋擴(kuò)展路徑。觀測(cè)區(qū)1 位于裂紋左側(cè)尖端區(qū)域，通過(guò)該區(qū)域水平位移場(chǎng)分析左側(cè)裂紋斷裂過(guò)程；觀測(cè)區(qū)2 位于右尖端附近區(qū)域，因?yàn)樵摷舛搜亟缑娣较驍U(kuò)展，故研究與裂紋面平行方向的位移場(chǎng)。通過(guò)峰值時(shí)刻位移場(chǎng)分析界面裂紋擴(kuò)展過(guò)程形成的斷裂區(qū)（見(jiàn)圖10）。

由圖10 可知，2 個(gè)尖端位移場(chǎng)局部化帶走向與裂紋宏觀擴(kuò)展方向相符。觀測(cè)區(qū)1水平位移場(chǎng)位移等值線在預(yù)制裂紋尖端附近交匯，距尖端越近，局部化帶越窄。位移局部化程度最高的點(diǎn)并不在預(yù)制裂紋尖端，而在距原始尖端一定距離的位置。

選取4 條橫穿局部化帶的直線作為采樣線，分別為W1、W2、W3、W4（見(jiàn)圖10 b），采樣線間距為2.5 mm。將采樣線上所有點(diǎn)水平位移提取出來(lái)（見(jiàn)圖11）。由圖11 可知，W1 線測(cè)點(diǎn)水平位移差值較大，具有明顯的跳躍性，W2 線和W3 線測(cè)點(diǎn)水平位移近似重合，由W2 線開(kāi)始往外非連續(xù)程度明顯減小，W4線可近似連續(xù)?？山普J(rèn)為W4線以上的區(qū)域?yàn)閿嗔堰^(guò)程區(qū)，即裂紋成核階段發(fā)生破壞的區(qū)域。斷裂過(guò)程區(qū)以下區(qū)域?yàn)榱鸭y穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域。

圖10 峰值時(shí)刻位移場(chǎng)

圖11 采樣線上測(cè)點(diǎn)水平位移曲線

斷裂過(guò)程區(qū)對(duì)于金屬材料而言為塑性變形區(qū)，對(duì)于地質(zhì)材料而言為非彈性響應(yīng)區(qū)（見(jiàn)圖12）。由于混凝土材料自身具有非完全均質(zhì)性，故斷裂過(guò)程區(qū)較明顯，斷裂過(guò)程區(qū)與骨料粒徑直接相關(guān)，骨料粒徑越大，斷裂過(guò)程區(qū)范圍越廣。左側(cè)裂紋尖端向混凝土中擴(kuò)展，可看出較明顯的斷裂過(guò)程區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)；右側(cè)裂紋尖端沿著界面擴(kuò)展，裂紋帶沿界面方向，不受骨料限制，因此斷裂過(guò)程區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)近似連續(xù)，難以辨識(shí)。

圖12 斷裂過(guò)程區(qū)分布示意

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展巖石-混凝土界面材料斷裂試驗(yàn)，對(duì)試件荷載-位移曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試件破壞主要是因?yàn)榛炷敛牧线_(dá)到抗壓強(qiáng)度導(dǎo)致的整體結(jié)構(gòu)破壞，且試件破壞具有階段性。通過(guò)變形場(chǎng)中局部化帶方向可確定界面裂紋起裂方向，當(dāng)混凝土強(qiáng)度足夠大或界面傾角較小時(shí)，裂紋可能擴(kuò)展至巖石基礎(chǔ)，該工況較危險(xiǎn)，應(yīng)盡量避免。研究結(jié)果可為實(shí)際工程安全性分析提供參考。