溫度循環(huán)作用下砂巖破裂過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)研究

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

0 引 言

眾多的實(shí)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(wèn)題已成為巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)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(jī)制[6]以及破壞機(jī)理[7-8]等方面進(jìn)行了不少的試驗(yàn)研究和理論分析，取得了大量的研究成果，為認(rèn)識(shí)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(duì)巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有較大的影響[9-10]。朱珍德[11]等學(xué)者對(duì)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(qiáng)度特性的影響進(jìn)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(guò)程是一個(gè)裂紋動(dòng)態(tài)演化的過(guò)程。近年來(lái)，研究人員對(duì)溫度作用下巖石的細(xì)微觀破裂機(jī)制開(kāi)展了試驗(yàn)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(xì)觀裂紋擴(kuò)展和演化過(guò)程，本文利用了巖石細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)砂巖裂紋的萌生、擴(kuò)展直至最終破壞的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)。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(xì)觀破壞過(guò)程。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

將長(zhǎng)英質(zhì)細(xì)砂巖作為此次試驗(yàn)材料，長(zhǎng)石和石英是其主要成分。長(zhǎng)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(zhǎng)石和石英的邊緣多呈現(xiàn)為白云母片狀；磷灰石、獨(dú)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(yàn)試件形狀為長(zhǎng)方立體，尺寸為45×25×15mm(長(zhǎng)×寬×高)，在試件上表面鉆入一個(gè)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(yàn)試件示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

巖石的單軸壓縮試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所研發(fā)生產(chǎn)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合的巖石破裂全過(guò)程細(xì)致觀察研究。

1.3 試驗(yàn)過(guò)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(gè)溫度循環(huán)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 溫度循環(huán)過(guò)程示意圖

在室內(nèi)對(duì)試件分別進(jìn)行1次、3次、8次的溫度循環(huán)作用，接著開(kāi)始單軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)控制位移的方式來(lái)進(jìn)行軸向加載，施加荷載的速率為0.01mm/min。試件在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力和應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(guò)程圖像記錄，由視頻采集系統(tǒng)同步進(jìn)行記錄，可細(xì)致分析試件各個(gè)階段形態(tài)特征。此外，還有顯微鏡和照相機(jī)等輔助設(shè)備對(duì)試件在試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)變化過(guò)程進(jìn)行記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 細(xì)觀破裂過(guò)程

對(duì)砂巖的裂紋擴(kuò)展效應(yīng)受溫度影響進(jìn)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(xì)觀破裂的全部過(guò)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(gè)應(yīng)力狀態(tài)特征點(diǎn)（a～f），對(duì)每個(gè)點(diǎn)所記錄的顯微圖像開(kāi)展精細(xì)研究分析，6個(gè)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)間和較長(zhǎng)的壓密階段（由圖3所示）。應(yīng)力狀態(tài)特征點(diǎn)a處于該階段的末段時(shí)期；觀察圖5(a)狀態(tài)點(diǎn)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(shí)試件外觀和尺寸上沒(méi)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(yàn)的ob階段過(guò)后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段，開(kāi)始由線性曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性曲線。曲線到達(dá)b點(diǎn)后試件圓孔Ⅰ和Ⅰ＇開(kāi)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(jìn)行輔助觀察（如圖3中曲線上的b應(yīng)力狀態(tài)特征點(diǎn)及其所對(duì)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(kuò)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(diǎn)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)，表明了應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€開(kāi)始由線性變化轉(zhuǎn)向非線性變化，此時(shí) σ1=80.1%σpeak(σpeak=19.142MPa, 為單軸抗壓強(qiáng)度)。

③應(yīng)力-應(yīng)變曲線cf段：由圖5(c)結(jié)合圖3可見(jiàn)，當(dāng)σ1從16.080MPa上升到19.142MPa時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到了峰值，Ⅰ處的張性裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，Ⅰ＇處的張性裂紋經(jīng)歷一個(gè)“擴(kuò)展-閉合”的過(guò)程，同時(shí)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(guò)程

隨著曲線通過(guò)峰值c點(diǎn)（σ1=19.142 MPa）后，試件的破壞過(guò)程并不像常溫試件，而是漸進(jìn)性破壞過(guò)程；首先，應(yīng)力出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力降，圓孔上下邊緣處的兩條剪裂紋開(kāi)始擴(kuò)展；隨后試件出現(xiàn)一個(gè)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(cuò)動(dòng)，被擠成扁狀（圖3中應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的d點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的圖像）；由于此時(shí)破壞面上的剪應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了砂巖的抗剪強(qiáng)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(guò)顯微鏡可以觀察到裂紋的張開(kāi)度增大，而在離圓孔較遠(yuǎn)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(jiàn)，經(jīng)過(guò)d點(diǎn)后，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€出現(xiàn)一個(gè)小幅度的應(yīng)力上升，裂紋進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的擴(kuò)展階段，Ⅱ和Ⅱ＇處的剪切裂紋在不斷擴(kuò)展的同時(shí)還萌生新的裂紋，原有裂紋繼續(xù)擴(kuò)展且寬度不斷增加；當(dāng)σ1由9.710MPa下降到6.386MPa時(shí)，Ⅱ和Ⅱ＇處剪切裂紋在向兩端擴(kuò)展的過(guò)程中衍生了多條分支裂紋，其中一條貫穿整個(gè)試件（見(jiàn)圖5中d、e點(diǎn)的全景圖）。

試驗(yàn)曲線經(jīng)過(guò)e點(diǎn)之后，試驗(yàn)到破裂后期，初始形成的Ⅱ和Ⅱ＇處的主裂紋繼續(xù)擴(kuò)展、貫通，當(dāng)應(yīng)力下降到1.991MPa后（圖3曲線中f點(diǎn)位置），試件進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段。試件完全破壞后的全場(chǎng)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(duì)砂巖強(qiáng)度和變形特征的影響

根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)的軸向荷載-位移曲線，分析得出經(jīng)過(guò)不同的溫度循環(huán)次數(shù)后部分試件的全過(guò)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(wú)論是常溫下還是經(jīng)過(guò)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(zhǎng)；經(jīng)過(guò)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(dá)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(jiàn)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(guò)多次溫度循環(huán)后的砂巖在達(dá)到峰值強(qiáng)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?qiáng)度，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(yàn)曲線

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

表2為經(jīng)過(guò)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(dá)到峰值應(yīng)力（A點(diǎn)）時(shí)，在Ⅱ和Ⅱ＇點(diǎn)周邊反對(duì)稱形成剪裂紋，伴隨著軸向位移荷載增加，裂紋呈擴(kuò)展趨勢(shì)，并貫通至最終失穩(wěn)破壞；對(duì)于經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)作用后的砂巖試件，其起裂時(shí)應(yīng)力均未達(dá)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(guò)渡時(shí)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(shí)間逐步提前（見(jiàn)圖7中B、C、D點(diǎn)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(guò)程猶如溫度應(yīng)力的“加載-卸載”疲勞加載過(guò)程。加溫過(guò)程中砂巖試件內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋并擴(kuò)展，擴(kuò)展后的空隙在冷卻過(guò)程中未發(fā)生變動(dòng)，當(dāng)再次進(jìn)行加溫，其內(nèi)部熱裂紋持續(xù)擴(kuò)展、增加。經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)作用后砂巖在加載試驗(yàn)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(kuò)展-閉合-擴(kuò)展”過(guò)程。因此，溫度循環(huán)作用對(duì)砂巖產(chǎn)生的損傷使得砂巖初始裂紋出現(xiàn)的時(shí)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(guò)程中，無(wú)論是常溫試件還是經(jīng)過(guò)不同溫度循環(huán)次數(shù)后的試件，其破裂的大體過(guò)程：首先在圓孔周圍開(kāi)始萌生裂紋，接著初始裂紋的擴(kuò)展方向可能會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋逐步擴(kuò)展延伸到試件兩側(cè)端部位置，同時(shí)在延伸過(guò)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(duì)所有的試驗(yàn)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(kuò)展，其他側(cè)面局部地方雖有微裂紋萌生擴(kuò)展，但對(duì)試件整體失穩(wěn)破壞影響較小；圖9給出了經(jīng)過(guò)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(duì)試件破壞形態(tài)有很大的影響；常溫下試件破裂時(shí)裂紋數(shù)量較少，溫度循環(huán)作用后試件破裂時(shí)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(duì)砂巖產(chǎn)生熱損傷所致。損傷作用主要來(lái)源于：①在200℃溫度作用下，砂巖礦物顆粒基本保持不變，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(guò)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(guò)程猶如溫度應(yīng)力的“加載-卸載”疲勞加載過(guò)程；每次溫度循環(huán)過(guò)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(jìn)行了不同溫度循環(huán)作用次數(shù)后砂巖的單軸壓縮細(xì)觀破裂試驗(yàn)，研究了不同溫度循環(huán)次數(shù)后砂巖的細(xì)觀力學(xué)特性和破裂過(guò)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(duì)巖石的破裂形態(tài)有較大的影響，主要表現(xiàn)為破裂時(shí)分支裂紋數(shù)增多、起裂點(diǎn)時(shí)間逐步提前；

②試件過(guò)峰值強(qiáng)度后，對(duì)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(guò)多次溫度循環(huán)后試件，其破壞過(guò)程表現(xiàn)出漸進(jìn)性破壞，破壞后仍具有一定的殘余強(qiáng)度，壓密段隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增長(zhǎng)；

③經(jīng)過(guò)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(qiáng)度相對(duì)于常溫試件，在第1次溫度循環(huán)后，巖石強(qiáng)度降低幅度最大，伴隨循環(huán)次數(shù)的增加，巖石強(qiáng)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(duì)更小尺度的裂紋演化過(guò)程尚需要進(jìn)一步的研究。