楊志良, 馬衍坤, 葉 鵬, 常仁強(qiáng), 王登科, 王 猛

(1.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.山東華坤地質(zhì)工程有限公司新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)服務(wù)分公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

層狀巖體在工程施工中很是常見(jiàn),在隧道施工、煤礦開(kāi)采等工程均涉及到與層狀巖體有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題[1-2],但是目前在工程實(shí)踐中通常會(huì)忽略層理對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。周揚(yáng)一等[3]利用薄層灰?guī)r,分析了存在層理的巖石,其中裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì),得到垂直穿過(guò)層理的I形裂紋,在弱面處發(fā)生轉(zhuǎn)折并沿弱面擴(kuò)展的斷續(xù)裂紋,與層理斜交的復(fù)合型裂紋這3種裂紋形態(tài);張桂民等[4]對(duì)存在不同層理面角度的巖石進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出層理角度對(duì)破裂模式有影響,且抗壓強(qiáng)度曲線呈凹型變化;梁正召等[5]研究在力學(xué)試驗(yàn)中,層理面角度對(duì)試樣破裂形態(tài)的影響,當(dāng)層面角度在0°和90°中間時(shí),試塊為沿著層理方向發(fā)生剪切破壞,當(dāng)角度為0°和90°時(shí),試件強(qiáng)度較高,發(fā)生脆性剪切破壞;趙子江等[6]發(fā)現(xiàn)層理方向?qū)嗔秧g度值分布范圍有影響,表明在實(shí)際工程中,層理具有較大影響;許多等[7]分析在拉伸狀態(tài)下的層理對(duì)煤巖破裂的影響。以上研究均表明目前的研究主要集中在層間界面、層理角度對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的影響,而對(duì)于弱層理的存在是如何影響裂紋擴(kuò)展的研究不是很清楚,需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與探討。因此,利用預(yù)制裂紋且中間層是弱層理的三層三點(diǎn)彎曲梁的裂紋擴(kuò)展路徑,分析了弱層理對(duì)此三點(diǎn)彎曲梁破壞過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的影響作用機(jī)制。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)利用配比的水:水泥:砂:石子=220:667:447:1016,制作強(qiáng)度分別是35MPa,5MPa的混凝土,制作混凝土組合體時(shí),首先制作下層,將攪拌均勻的實(shí)驗(yàn)材料倒入塑料模具中,其厚度占總體的1/3,其余部分用隔板隔開(kāi),在振動(dòng)臺(tái)上振出氣泡后靜置2h。隨后以同樣的方法制作中層。最后制作下層,去除隔板,進(jìn)行振動(dòng)、壓實(shí),靜置24h后進(jìn)行脫模,將脫模后的試件放置在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),最后利用金剛石切割機(jī)切割成深度約為5mm的預(yù)制裂縫。

1.2 試驗(yàn)方法

利用尺寸為=160mm×40mm×40mm的棱柱體試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),利用WAW-1000D電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),如圖1所示。利用位移加載方式,加載速率分別為0.06mm/min,0.3mm/min,6mm/min,直到試樣失效。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用高速攝像機(jī)對(duì)試樣三點(diǎn)彎曲加載過(guò)程進(jìn)行拍攝記錄．在試件表面隨機(jī)噴涂黑白漆制作40mm×40mm的均勻分布的散斑。試驗(yàn)過(guò)程中相機(jī)采集速率設(shè)定為500幀/s。

圖2 典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 試件三點(diǎn)彎曲破裂過(guò)程

2 結(jié)果與分析

2.1 破裂形態(tài)分析

根據(jù)不同加載速率下試樣的破裂過(guò)程將破裂階段劃分為3個(gè)階段,如圖2所示,Ⅰ點(diǎn)表示破裂階段第一階段終點(diǎn),此時(shí)裂紋到達(dá)中層和下層界面;Ⅱ點(diǎn)表示破裂階段第二階段終點(diǎn),此時(shí)裂紋到達(dá)中層和上層界面;Ⅲ點(diǎn)表示破裂階段第三階段終點(diǎn),此時(shí)裂紋貫穿試件,試件斷裂。試樣破裂過(guò)程如圖3所示,利用紅色曲線表示裂紋的擴(kuò)展路徑。

第1階段,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí),試件開(kāi)始產(chǎn)生裂紋,裂紋一開(kāi)始出現(xiàn)在預(yù)制裂縫的尖端,并在下層持續(xù)擴(kuò)展。

第2階段,此時(shí)裂紋在中層,也就是在弱層理擴(kuò)展。同時(shí)觀察破裂過(guò)程圖,發(fā)現(xiàn)裂紋沒(méi)有立刻穿透中層,而是發(fā)生水平遷移;當(dāng)擴(kuò)展到一定距離時(shí),裂紋會(huì)再次沿著反方向發(fā)生水平遷移。此時(shí),上層暫時(shí)完好。

第3階段,裂紋在上層擴(kuò)展。裂紋從上層下部延伸并持續(xù)擴(kuò)展,最終整個(gè)試件被破壞。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

不同加載速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。當(dāng)加載速率為0.06mm/min時(shí),最大應(yīng)力為1.94MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.18;當(dāng)加載速率為0.3mm/min時(shí),最大應(yīng)力為2.03MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.098;當(dāng)加載速率為6mm/min時(shí),最大應(yīng)力為2.66MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.064。在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)條件下,試件的峰值應(yīng)力隨著加載速率的增加而增加,而對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力的應(yīng)變有所減小。

圖4 不同加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由此可以看出在荷載的作用下,破壞裂紋在弱層理處發(fā)生彎曲,并且裂紋的擴(kuò)展路徑都發(fā)生的偏移,其偏移距離與加載速率成正比。

2.3 DIC分析

利用DIC可以直觀的觀察到試件斷裂過(guò)程中不同階段的全場(chǎng)應(yīng)變變化情況,如圖5所示。

在裂紋擴(kuò)展的第一階段,此時(shí)裂紋在下層擴(kuò)展,高應(yīng)變集中在A區(qū)域,沿著破裂路徑發(fā)展。

第二階段,裂紋在中層擴(kuò)展,高應(yīng)變集中在B區(qū)域,與第一階段相比發(fā)生了水平偏移,隨著裂紋的擴(kuò)展,高應(yīng)變區(qū)域會(huì)發(fā)生反方向的水平遷移;在此階段中,裂縫擴(kuò)展的過(guò)程中不是一條直線,高應(yīng)變區(qū)域發(fā)生水平偏移,這是因?yàn)槿鯇永淼拇嬖谧璧K了裂紋穿過(guò)層理,導(dǎo)致裂紋沿著層理方向發(fā)生偏移。弱層理存在時(shí),導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑主要是順著層理破裂與穿過(guò)層理破裂交替發(fā)生,產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的復(fù)雜的裂紋形態(tài)。且隨著加載速度增加,順著層理破裂的現(xiàn)象越明顯。

第三階段,裂紋在上層擴(kuò)展,高應(yīng)變集中在C區(qū)域,會(huì)趨向于豎直向上擴(kuò)展的狀態(tài)。在破裂過(guò)程中,在裂紋擴(kuò)展路徑的應(yīng)變較大,表明在斷裂過(guò)程中,應(yīng)力集中在裂縫尖端處。

圖5 不同加載速率試樣的應(yīng)變演化

對(duì)比不同加載速率情況下的應(yīng)變大小,當(dāng)加載速率為0.06mm/min,微應(yīng)變?yōu)?.2802996με,總裂紋長(zhǎng)度為37.96mm,順層裂紋長(zhǎng)度為3.27mm;當(dāng)加載速率為0.3mm/min時(shí),微應(yīng)變?yōu)?.1543203με,總裂紋長(zhǎng)度為38.35mm,順層裂紋長(zhǎng)度為5.1mm;當(dāng)加載速率為6mm/min,微應(yīng)變?yōu)?.1202712με,總裂紋長(zhǎng)度為44.1mm,順層裂紋長(zhǎng)度為9.1mm。可知應(yīng)變與加載速率成負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是與應(yīng)力-應(yīng)變曲線是相對(duì)應(yīng)的,裂紋總長(zhǎng)度與裂紋沿著層理方向偏移的長(zhǎng)度與加載速率成正比。由此可見(jiàn),加載速率的增加會(huì)促進(jìn)弱層理對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響,使得弱層理的止裂效果越好。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)試樣破壞時(shí),裂紋總是沿著層理方向發(fā)生偏移,并且裂紋形態(tài)發(fā)生彎曲,偏移距離也隨加載速率的增加而增加。

(2)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,應(yīng)力首先增加至峰值點(diǎn)后隨即下降,且因?yàn)榇嬖谥鯇永?下降趨勢(shì)有所減緩。

(3)隨著加載速率的增加,弱層理的存在使得三點(diǎn)彎曲條件下層狀試樣的承載能力有所加強(qiáng),但是對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力所產(chǎn)生的最大位移卻在減小。當(dāng)加載速率從0.06mm/min增加到6mm/min,總裂紋長(zhǎng)度從37.96mm增加到44.1mm,順層破裂裂紋長(zhǎng)度從3.27增加到9.1。隨著加載速率的增加,弱層理的止裂效果越明顯。