含層理結構面層狀板巖張拉斷裂的DIC試驗研究

李二強 鄧小衛 宋白楊 李明玉 趙寧寧 馮吉利

(1.洛陽理工學院土木工程學院,河南 洛陽 471023;2.建設綜合勘察研究設計院有限公司,北京 100007;3.河南理工大學土木工程學院,河南 焦作 454000;4.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

我國各類金屬礦產資源儲量豐富,其中多分布于含層理、節理、裂隙等結構面的層狀巖體,由于其復雜多變的各向異性力學特性,通常會引起因抗拉性能差而導致的多樣工程災害[1-2]。由此,對其相關層狀巖體張拉斷裂特性進行深入研究是礦山工程建設與開發的迫切需要。

據相關調查,層狀巖石種類眾多,主要包含常見的石灰巖、砂巖、頁巖等沉積巖,以及片麻巖、板巖、千枚巖等變質巖。其中,層狀板巖廣泛分布于我國西北、西南等地區,伴隨我國礦山資源的開發、建設,作為典型橫觀各向同性巖體呈現出復雜斷裂破壞特征,由層狀板巖引起多起巷道失穩、露天礦滑坡等嚴重災害問題。國內外學者對典型層狀巖開展了豐富的相關研究。如Tavallali等[3]基于室內試驗研究了層狀砂質板巖的抗拉力學性能及裂紋演化規律。丁長棟、Li等[4-5]基于室內試驗和單弱面理論研究了層理對層狀板巖抗壓、抗拉強度特征和破壞機制的影響。Debecker等[6]基于試驗、聲發射手段和離散元對層狀板巖斷裂破壞進行了系統研究。Garcia-Fernandez等[7]基于系統的室內巴西劈裂和直接剪切試驗,深入分析了層理與剪切破壞的密切關系。

針對層狀巖斷裂研究,直縫半圓盤三點彎試驗(SCB,即Semi-circular bend)因其制作簡單、操作方便使其在相關材料斷裂研究中應用廣泛[8-11]。李英杰、Wang等[10-11]均開展了層狀頁巖SCB試驗,系統分析了不同層理傾角下的裂紋擴展與Ⅰ型斷裂韌度。針對層狀板巖斷裂研究,當前有Ulusay、Alam等[12-13]基于V型切口三點彎巖芯梁試驗和楔形劈拉開展了層狀板巖張拉斷裂特性的簡要測試,另外主要有Li、Zhao等[14-15]開展了相關的試驗和數值分析研究。當前,數字圖像相關方法(DIC,即digital image correlation)因其無接觸、直觀形象和測量精度高等特點而廣泛應用于各類試驗研究[16-19]。其中,如Dutler等[16]針對層狀閃長巖開展了巴西劈裂和SCB試驗測定其抗拉強度和張拉斷裂韌性,同時基于DIC研究了裂紋演化的全場變形規律。另外,宋義敏、Lin等[17-19]分別針對花崗巖和砂巖開展了基于DIC的巖石斷裂條件下的裂紋起裂、擴展演化等破壞模式分析。

綜上可見,現階段雖然對層狀板巖開展了試驗、數值計算等大量研究,但是針對層狀板巖SCB斷裂特性以及結合DIC的張拉斷裂特性研究仍較為匱乏。對此,相關研究還有待進一步深入開展。本研究利用高速相機搭建SCB測試平臺,進而開展層狀板巖SCB張拉斷裂試驗,基于DIC對加載過程中不同層理傾角層狀板巖試樣的斷裂演化進行全場變形觀測,分析不同層理傾角層狀板巖在張拉斷裂條件下裂紋由起裂、開展至完全斷裂時表面位移變形場演化規律。

1 試驗簡介

1.1 試樣制備

本研究所采用巖樣為層狀炭質板巖。取樣于陜西岷縣西秦嶺地域山區木寨嶺隧道中段,因地形險峻隧址處于地質構造板塊活躍地帶,褶皺及斷層破碎現象顯著。由現場調研可見,該處層狀板巖層理發育明顯,且施工裸露后巷道圍巖及掌子面多呈碎裂狀松散結構。現場木寨嶺隧道條件如圖1所示。

圖1 木寨嶺隧道及其賦存層狀板巖Fig.1 Muzhailing tunnel and its layered slate

為保證試驗較小離散性,本研究試樣均取木寨嶺隧道同一掌子面,按照試驗要求規格和精度加工層狀板巖SCB試樣。其具體加工流程可分為如下三步:按特定層理狀態鉆取直徑50 mm圓柱;將圓柱切割為厚約25 mm圓盤半成品;利用直徑為0.4 mm金剛砂線鋸按特定狀態切割以平分圓盤,并按預定切縫切割長為10 mm直縫。由此獲得不同層理傾角層狀板巖SCB試樣,具體試樣如圖2所示。

圖2 層狀板巖SCB試樣Fig.2 SCB specimens of layered slate

1.2 試驗儀器及加載簡介

層狀板巖承受荷載對比砂巖、花崗巖等較小,由此該巖樣最適合采用小型高精密試驗系統,經過前期調研測試,本研究采用單軸光彈加載儀開展SCB試驗,該設備軸向最大加載為3 t,精度為0.1 N,同時具有操作簡便、穩定以及精度高等試驗優點,具體加載系統如圖3所示。

圖3 層狀板巖SCB加載系統Fig.3 SCB test system for layered slate

本研究層狀板巖加載以位移控制,設定速率為0.1 mm/min以滿足規范和靜態加載條件。由于直縫寬度為0.4 mm,則試樣在縫尖應力集中顯著,各組試樣加載歷時較短,隨加載位移增大,荷載也隨之增大,在達到峰值荷載時發生 “咯嘣”巨響的瞬時脆性斷裂破壞。

2 試驗結果

2.1 層狀板巖力學響應

鑒于數據繁多,特選取MA-3 (0°)、MB-2 (30°)、MC-1 (45°)、MD-1 (60°)、ME-2 (90°)及MF-3 (divider)作為不同層理傾角下的典型層狀板巖SCB試驗結果進行分析,整理所得相應荷載-位移曲線如圖4所示。曲線大體經歷了裂隙壓密、線彈性變形、簡短弱屈服及跌落破壞4個階段,可見不同層理層狀板巖均呈現顯著脆性斷裂破壞特征。具體來說,圖中層理傾角0°、30°、45°、60°、90°及divider試樣最大豎向位移分別為0.473,0.394,0.375,0.356,0.436及0.306 mm;相應峰值載荷分別為227.5、192.8、166.7、144.3、136.1及267.9 N。經計算divider試樣為豎直層理試樣峰值荷載的1.97倍。可見,受層理影響層狀板巖力學性能呈現出顯著各向異性。

圖4 層狀板巖SCB試樣典型荷載-位移曲線Fig.4 Typical load-displacement curves of the layered slate SCB specimens

2.2 層狀板巖破壞形態

層狀板巖破斷后呈現出復雜破裂形態,分析裂縫形態和不同視角下的端口特征對研究其斷裂演化規律具有重要意義。鑒于篇幅限制,對照上述力學相應分析,在此僅通過水平層理MA-3 (層理傾角0°)、豎直層理ME-2 (層理傾角90°)及divider形態的MF-3進行分析,具體斷裂形態如圖5所示。

圖5 典型層理傾角層狀板巖斷裂形態Fig.5 Fracture morphology of the typical bedding layered slates

由圖5(a)可見,水平層理MA-3試樣含有2個平行層理面,斷裂由縫尖起裂,在遭遇層理面時裂紋會沿水平弱面延伸一定距離,而在應力重分布條件下裂紋會穿越基質、沿層理弱面循環擴展形成臺階狀,并最終貫通至上部加載端。由端口形態可見,由于內部層理面存在不規則現象,端口截面粗糙且呈溝壑狀。針對豎直層理試樣,其裂紋沿開縫尖端順著層理面起裂并筆直擴展貫通至上部加載端,且斷口表面較平滑,具體如圖5(b)所示。針對divider試樣,如圖5(c)ME-3試樣存在2條層理弱面,由于試樣加工時的隨機性,且上端層理距試樣邊界僅為約3 mm,其裂紋呈現為鏈式曲折擴展態勢,試樣端口在層理面附近存在凹凸起伏現象。

2.3 層狀板巖DIC斷裂演化研究

DIC基于物體變形前后特定散斑點的統計強相關性能夠實現對相關材料表面位移場進行測量分析,為揭示巖石變形破壞提供了有效手段。基于DIC原理,本文通過高速相機數據獲取特定時刻層狀板巖表面的變形特征,從而具體分析其斷裂演化特征。現以水平層理試樣MA-1為例分析其ZOI (Zone of Interest)區域的變形起裂破壞特征。

如圖6所示,在172 296 ms時在試樣直縫尖端上側水平層理弱面處呈現出非常規裂紋起裂。在185 906 ms時,直縫尖端發生肉眼可見的起裂破壞,此時刻對應于峰值荷載。在187 531～188 140 ms時裂紋產生穿越基質和沿層理延伸的循環擴展態勢。由所得位移場云圖可見,開縫尖端水平位移隨持續加載,基于裂紋不斷擴張演化,會產生以加載豎軸為標準的左右兩側起裂各約為0.03 mm(172 296 ms),并逐步擴展至0.14 mm(185 906 ms)及187 531 ms時刻條件下的左右側各為約0.20 mm水平位移。

圖6 基于DIC的MA-1試樣張拉斷裂演化過程Fig.6 Tensile fracture evolution of MA-1 specimen using DIC

鑒于篇幅,在此僅呈現不同層理傾角層狀板巖試樣的最終裂紋擴展形成的ZOI水平位移云圖,具體如圖7所示。具體來說,層理傾角30°層狀板巖試樣在直縫尖端處產生的水平位移約為0.38 mm,且表現出顯著非對稱開裂態勢,同時裂紋擴展演化呈現出受層理弱面影響而產生的曲折發展態勢;層理傾角45°、60°、90°及divider層狀板巖試樣在縫尖產生的水平位移范圍值為0.08～0.12 mm,且各試樣斷裂擴展形態較為相似,較大差異表現為縫尖處由于擴展形態差異而呈現出的較大水平位移差。

圖7 典型層狀板巖水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of typical layered slates

3 結 論

通過開展不同層理狀態下層狀板巖SCB斷裂試驗,系統分析了木寨嶺隧道層狀板巖的張拉斷裂力學響應及復雜斷裂形態,并基于DIC開展了層狀板巖斷裂裂紋擴展表面位移場演化特征研究,具體結論如下:

(1)不同層理層狀板巖SCB試驗荷載-位移曲線發展態勢較為相似,主要包含微裂隙壓密變形、線彈性變形、塑性弱屈服和瞬時跌落破壞4個階段,并呈現出峰后跌落的顯著脆性斷裂破壞特征。

(2)不同層理層狀板巖SCB試驗試樣峰值荷載受層理面影響差異巨大,最大峰值荷載為最小峰值荷載的1.97倍,其中divider試樣267.9 N、豎直層理試樣136.1 N。

(3)層狀板巖張拉斷裂破壞形態復雜,不同層理試樣均從直縫尖端起裂并最終發展至上部加載點,但裂紋擴展態勢隨層理變化而呈現出巨大差異,如水平層理試樣主要呈現為基質-層理循環擴展的臺階型斷裂形態;豎直層理試樣斷裂則筆直貫通至上部加載端;divider型試樣因受板巖各層基質協同影響而形成鏈式曲折擴展形態。

(4)通過分析DIC下不同層理層狀板巖試樣縫尖至加載端散斑關注區表面水平位移場,揭示了由試樣尖端起裂至裂紋擴展貫通形成的表面位移場斷裂演化特征。