張 坤 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

0 引 言

眾多的實際工程領(lǐng)域均涉及溫度作用下巖石的力學(xué)及變形特性，因此研究溫度作用下巖體工程問題已成為巖石力學(xué)研究的熱點。一直以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對溫度作用下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)[1-3]、本構(gòu)模型[4-5]、變形機制[6]以及破壞機理[7-8]等方面進行了不少的試驗研究和理論分析，取得了大量的研究成果，為認識溫度作用下巖體工程的穩(wěn)定性提供了有益的參考。

由于溫度季節(jié)性變化以及西部地區(qū)氣溫晝夜變化較大，巖體往往處于溫度周期變化作用下，這種溫度周期變化使得巖體產(chǎn)生熱脹冷縮等效應(yīng)，對巖體工程的長期穩(wěn)定性有較大的影響[9-10]。朱珍德[11]等學(xué)者對大理巖石隨高溫周期性變化而產(chǎn)生的變形、破壞斷裂損傷劣化以及相關(guān)強度特性的影響進行了深度的研究。

巖石是含有微裂隙、微孔洞等初始缺陷的天然材料，其破壞過程是一個裂紋動態(tài)演化的過程。近年來，研究人員對溫度作用下巖石的細微觀破裂機制開展了試驗和理論研究，并取得了一定的研究成果[12-15]。

為了更為深入地分析巖石在溫度循環(huán)作用下的細觀裂紋擴展和演化過程，本文利用了巖石細觀力學(xué)試驗系統(tǒng)，對砂巖裂紋的萌生、擴展直至最終破壞的整個過程進行了實時觀測。結(jié)合全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析并探討溫度循環(huán)作用后砂巖細觀破壞過程。

1 試驗準備及試驗過程

1.1 試驗材料

將長英質(zhì)細砂巖作為此次試驗材料，長石和石英是其主要成分。長石其特征為次棱角-次圓狀，絹云母化、高嶺石化；石英其特征則為次棱角狀粒屑。

長石和石英的邊緣多呈現(xiàn)為白云母片狀；磷灰石、獨居石、綠簾石和鋯石其特征為次棱角狀-次圓狀；方解石其特征則為碎屑次棱角狀；泥質(zhì)孔隙式膠結(jié)。

此次試驗試件形狀為長方立體，尺寸為45×25×15mm(長×寬×高)，在試件上表面鉆入一個圓形孔洞，直徑為2mm，保證圓形孔洞與試件表面垂直，如圖1所示。

圖1 試驗試件示意圖

1.2 試驗設(shè)備

巖石的單軸壓縮試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所研發(fā)生產(chǎn)的力學(xué)實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進行應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合的巖石破裂全過程細致觀察研究。

1.3 試驗過程

將加工好的試件放入高溫箱式電阻爐中加溫至200℃，然后維持在該溫度3h，之后自然冷卻至50℃，此為一個溫度循環(huán)過程，如圖2所示。

圖2 溫度循環(huán)過程示意圖

在室內(nèi)對試件分別進行1次、3次、8次的溫度循環(huán)作用，接著開始單軸壓縮試驗。通過控制位移的方式來進行軸向加載，施加荷載的速率為0.01mm/min。試件在試驗過程中，應(yīng)力和應(yīng)變的實時變化數(shù)據(jù)由計算機自動控制記錄。試件出現(xiàn)破裂直至完全失去穩(wěn)定性被破壞全過程圖像記錄，由視頻采集系統(tǒng)同步進行記錄，可細致分析試件各個階段形態(tài)特征。此外，還有顯微鏡和照相機等輔助設(shè)備對試件在試驗中的實時變化過程進行記錄。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 細觀破裂過程

對砂巖的裂紋擴展效應(yīng)受溫度影響進行研究，選取顯微圖像捕捉較為良好的sk7試件（溫度循環(huán)8次），分析了試件的細觀破裂的全部過程。試件的應(yīng)力-應(yīng)變的全程變化曲線于圖3所示，在曲線上選取了6個應(yīng)力狀態(tài)特征點（a～f），對每個點所記錄的顯微圖像開展精細研究分析，6個點的應(yīng)力、應(yīng)變值如表1所示。

圖3 sk7試件應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)套兓€

(a～f)點應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù) 表1

①應(yīng)力-應(yīng)變曲線ob段：砂巖的礦物顆粒和泥質(zhì)膠結(jié)物在溫度循環(huán)作用下，泥質(zhì)膠結(jié)物中的吸附水和層間水不斷脫出，使得砂巖內(nèi)部空隙變大，因此試件經(jīng)歷了明顯的持續(xù)時間和較長的壓密階段（由圖3所示）。應(yīng)力狀態(tài)特征點a處于該階段的末段時期；觀察圖5(a)狀態(tài)點顯微圖像和全景圖，可以得到試件經(jīng)歷了彈性階段ab段（應(yīng)力值從0上升至15.326MPa），此時試件外觀和尺寸上沒有發(fā)生明顯改變，基本保持初始狀態(tài)。

②應(yīng)力-應(yīng)變曲線bc段：試件在試驗的ob階段過后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始進入彈塑性階段，開始由線性曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性曲線。曲線到達b點后試件圓孔Ⅰ和Ⅰ＇開始萌生了2條的張性裂紋（如圖4所示），與軸向加載方向一致，可使用顯微鏡進行輔助觀察（如圖3中曲線上的b應(yīng)力狀態(tài)特征點及其所對應(yīng)的圖像）。這主要由于試件在軸向壓應(yīng)力作用下，預(yù)制圓孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中；Ⅰ和Ⅰ＇處產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成張裂紋。

圖4 裂紋擴展示意圖

根據(jù)圖3的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€可以得到，應(yīng)力-應(yīng)變ob段曲線呈線性變化特征，曲線在b點后，曲線斜率表現(xiàn)為非線性變化特征。結(jié)合以上曲線變化規(guī)律可以得出：σ1=15.326MPa所對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)點，表明了應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€開始由線性變化轉(zhuǎn)向非線性變化，此時 σ1=80.1%σpeak(σpeak=19.142MPa, 為單軸抗壓強度)。

③應(yīng)力-應(yīng)變曲線cf段：由圖5(c)結(jié)合圖3可見，當(dāng)σ1從16.080MPa上升到19.142MPa時，應(yīng)力狀態(tài)達到了峰值，Ⅰ處的張性裂紋繼續(xù)擴展，Ⅰ＇處的張性裂紋經(jīng)歷一個“擴展-閉合”的過程，同時在Ⅱ和Ⅱ＇處萌生新的剪切裂紋，與加載方向有較大的夾角。

圖5 溫度循環(huán)8次后試件sk7破裂過程

隨著曲線通過峰值c點（σ1=19.142 MPa）后，試件的破壞過程并不像常溫試件，而是漸進性破壞過程；首先，應(yīng)力出現(xiàn)一個應(yīng)力降，圓孔上下邊緣處的兩條剪裂紋開始擴展；隨后試件出現(xiàn)一個明顯的應(yīng)力突降(σ1從19.142MPa下降到9.710MPa)，可以發(fā)現(xiàn)試件圓孔的形狀已經(jīng)改變，圓孔發(fā)生了錯動，被擠成扁狀（圖3中應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的d點及對應(yīng)的圖像）；由于此時破壞面上的剪應(yīng)力已經(jīng)超過了砂巖的抗剪強度，因此Ⅱ和Ⅱ＇處產(chǎn)生了宏觀斷裂面并產(chǎn)生了剪切滑移。

隨著試件加載到后期，通過顯微鏡可以觀察到裂紋的張開度增大，而在離圓孔較遠的地方出現(xiàn)了很多分支裂紋。由圖5（e）全景圖并結(jié)合圖3可見，經(jīng)過d點后，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€出現(xiàn)一個小幅度的應(yīng)力上升，裂紋進入一個相對穩(wěn)定的擴展階段，Ⅱ和Ⅱ＇處的剪切裂紋在不斷擴展的同時還萌生新的裂紋，原有裂紋繼續(xù)擴展且寬度不斷增加；當(dāng)σ1由9.710MPa下降到6.386MPa時，Ⅱ和Ⅱ＇處剪切裂紋在向兩端擴展的過程中衍生了多條分支裂紋，其中一條貫穿整個試件（見圖5中d、e點的全景圖）。

試驗曲線經(jīng)過e點之后，試驗到破裂后期，初始形成的Ⅱ和Ⅱ＇處的主裂紋繼續(xù)擴展、貫通，當(dāng)應(yīng)力下降到1.991MPa后（圖3曲線中f點位置），試件進入殘余強度階段。試件完全破壞后的全場圖像如圖6所示。

圖6 sk7試件破裂后照片

2.2 溫度循環(huán)對砂巖強度和變形特征的影響

根據(jù)單軸壓縮試驗的軸向荷載-位移曲線，分析得出經(jīng)過不同的溫度循環(huán)次數(shù)后部分試件的全過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖8所示；從圖中可以看出，單軸加載情況下，無論是常溫下還是經(jīng)過若干次溫度循環(huán)后的試件，都有明顯的微裂隙壓密階段、彈性階段和屈服階段。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的壓密段逐漸增長；經(jīng)過不同次數(shù)溫度循環(huán)作用后砂巖試樣的峰值應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。達到峰值應(yīng)力后，常溫下巖樣的曲線比較陡，應(yīng)力迅速下降，很快失去承載力，表現(xiàn)了通常所見的巖石脆性特征；溫度循環(huán)1次后試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線也類似。經(jīng)過多次溫度循環(huán)后的砂巖在達到峰值強度后，曲線變化稍微緩慢，試件的破壞脆性變?nèi)酰茐暮笤嚰粴堄嗖糠謴姸?，造成巖石損傷原因在于溫度循環(huán)作用。

圖7 不同溫度循環(huán)次數(shù)后砂巖單軸壓縮試驗曲線

經(jīng)過不同溫度循環(huán)次數(shù)作用后砂巖的單軸抗壓強度也發(fā)生了較大的降低，如圖8所示。砂巖單軸抗壓強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減低；相對于常溫下試件，經(jīng)過1次溫度循環(huán)后試件的單軸抗壓強度有較大幅度的降低；溫度循環(huán)3次、8次后砂巖的強度差別很小。

圖8 不同溫度循環(huán)次數(shù)后砂巖單軸抗壓強度

表2為經(jīng)過不同溫度循環(huán)作用次數(shù)后砂巖的起裂應(yīng)力與峰值應(yīng)力。結(jié)合表2及圖4、7可以看出，常溫下試件在應(yīng)力達到峰值應(yīng)力（A點）時，在Ⅱ和Ⅱ＇點周邊反對稱形成剪裂紋，伴隨著軸向位移荷載增加，裂紋呈擴展趨勢，并貫通至最終失穩(wěn)破壞；對于經(jīng)過溫度循環(huán)作用后的砂巖試件，其起裂時應(yīng)力均未達到峰值應(yīng)力即在圓孔周圍萌生張性裂紋，如溫度循環(huán)8次后試件在應(yīng)力-應(yīng)變曲線由線性向非線性過渡時萌生裂紋；隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，初始裂紋出現(xiàn)時間逐步提前（見圖7中B、C、D點所處的位置）。這主要是由于砂巖內(nèi)部各種礦物顆粒的熱膨脹系數(shù)不同及內(nèi)部熱膨脹各向異性的影響，使得砂巖內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力；從而溫度循環(huán)過程猶如溫度應(yīng)力的“加載-卸載”疲勞加載過程。加溫過程中砂巖試件內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋并擴展，擴展后的空隙在冷卻過程中未發(fā)生變動，當(dāng)再次進行加溫，其內(nèi)部熱裂紋持續(xù)擴展、增加。經(jīng)過溫度循環(huán)作用后砂巖在加載試驗前已經(jīng)產(chǎn)生熱裂紋，熱裂紋隨著軸向荷載位移的增大而經(jīng)歷“擴展-閉合-擴展”過程。因此，溫度循環(huán)作用對砂巖產(chǎn)生的損傷使得砂巖初始裂紋出現(xiàn)的時間提前。

不同溫度循環(huán)次數(shù)后試件的起裂和峰值應(yīng)力 表2

2.3 破裂模式

在試件的破壞過程中，無論是常溫試件還是經(jīng)過不同溫度循環(huán)次數(shù)后的試件，其破裂的大體過程：首先在圓孔周圍開始萌生裂紋，接著初始裂紋的擴展方向可能會出現(xiàn)變動。隨著試驗的進行，裂紋逐步擴展延伸到試件兩側(cè)端部位置，同時在延伸過程中，剪切裂紋也出現(xiàn)分叉，衍生出多條新的裂紋。

由于篇幅限制本文不對所有的試驗試件做單一介紹，試件破裂主要是在圓孔所在面內(nèi)發(fā)生裂紋擴展，其他側(cè)面局部地方雖有微裂紋萌生擴展，但對試件整體失穩(wěn)破壞影響較?。粓D9給出了經(jīng)過不同溫度循環(huán)次數(shù)后砂巖試件的最終破裂形態(tài)。從圖9可以看出，在200℃溫度范圍內(nèi)，溫度循環(huán)作用對試件破壞形態(tài)有很大的影響；常溫下試件破裂時裂紋數(shù)量較少，溫度循環(huán)作用后試件破裂時分支裂紋較多，且分支裂紋數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加而增加，分支裂紋的走向大多平行于加載方向，溫度循環(huán)8次后試件表現(xiàn)得尤為明顯。

這主要是由溫度循環(huán)作用對砂巖產(chǎn)生熱損傷所致。損傷作用主要來源于：①在200℃溫度作用下，砂巖礦物顆?；颈３植蛔?，而泥質(zhì)膠結(jié)物中含有的少量水分及砂巖內(nèi)部吸附水與層間水在加溫過程中不斷脫出，使得泥質(zhì)膠結(jié)物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；②在溫度循環(huán)作用下，試樣各處的溫度不等及內(nèi)部材料的非均質(zhì)性，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度循環(huán)過程猶如溫度應(yīng)力的“加載-卸載”疲勞加載過程；每次溫度循環(huán)過程都造成砂巖試件的損傷，這種損傷作用是隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷累積的。

圖9 試件的最終破壞形態(tài)

3 結(jié)論

本文進行了不同溫度循環(huán)作用次數(shù)后砂巖的單軸壓縮細觀破裂試驗，研究了不同溫度循環(huán)次數(shù)后砂巖的細觀力學(xué)特性和破裂過程。主要結(jié)論如下：

①在200℃溫度范圍內(nèi)，溫度循環(huán)作用對巖石的破裂形態(tài)有較大的影響，主要表現(xiàn)為破裂時分支裂紋數(shù)增多、起裂點時間逐步提前；

②試件過峰值強度后，對于常溫和1次循環(huán)后試件，試件很快失去承載力，表現(xiàn)出明顯的脆性特征，而經(jīng)過多次溫度循環(huán)后試件，其破壞過程表現(xiàn)出漸進性破壞，破壞后仍具有一定的殘余強度，壓密段隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增長；

③經(jīng)過若干次溫度循環(huán)作用后的砂巖試件，其峰值應(yīng)變隨之不斷增大；其抗壓強度相對于常溫試件，在第1次溫度循環(huán)后，巖石強度降低幅度最大，伴隨循環(huán)次數(shù)的增加，巖石強度降低的幅度減小。

④本文的裂紋是在放大倍數(shù)50倍情況下觀察到的，對更小尺度的裂紋演化過程尚需要進一步的研究。