不同裂隙相对张开度条件下类岩石材料断裂试验与破坏机理

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1、不同裂隙相对张开度条件下类岩石材料断裂试验与破坏机理　论文摘要：在伺服控制单轴加载系统下对含有一条水平裂隙的类岩石试件进行加载试验，在对实验过程及现象深入分析的基础上，结合数值分析结果，探索单压条件下含有一条水平裂隙的类岩石材料断裂损伤破坏机制。为描述裂隙形态，引入相对张开度的概念，并规定其为裂隙张开度与裂隙长度的比值；试验和数值分析结果表明：以相对张开度b=0.005为分界点，根据b的取值变化，裂隙体呈现出两种不同的破坏模式——裂隙尖端屈服破坏和裂隙中部受拉破坏；b取值较小时，水平裂隙尖端邻域应力强度可以应用线弹性断裂力学渐进应力场

2、折减后计算，b取值较大时，裂隙体的破坏始于水平裂隙中部材料受横向拉时微裂纹的出现，此时线弹性断裂力学不再适用。　　关键词：相对张开度；类岩石材料；水平裂隙；断裂破坏机制；线弹性断裂力学引言   自1921年，英国科学家Griffith提出适合于脆性材料裂纹扩展的能量准则，1957年，美国科学家G.R.Irwin提出应力强度因子的概念以来，断裂力学理论逐步建立起来，经过数十年的发展，断裂力学应用于金属材料的理论渐趋完善。但是由于岩石材料和混凝土结构的材料特性与金属材料差别很大[1]，前者结构体内部充满分布不规律的节理和微裂隙，而且细颗粒

3、之间的粘结情况千差万别，这些区别使得将断裂力学理论应用于混凝土结构及其它类岩石结构中极为困难。于骁中[1]、李贺[2]等对于断裂力学在岩石和混凝土结构中的应用作出了极大的贡献；近年来，国内许多学者在类岩石材料领域内所做的研究结果[4~13]表明断裂力学理论可以用于解决这类材料的断裂破坏问题。　　线弹性断裂力学理论求解的问题集中在拉应力作用下的均质材料破坏，但是对于岩石和混凝土这类抗压强度远远大于抗拉强度的材料，研究其在压应力作用下的材料破坏规律显得更为有意义。现阶段对于压应力作用下含有一条预制倾斜裂隙的材料破坏规律及微裂纹起裂、扩展机

4、制研究[8~13]已经比较成熟，但是对于压应力作用下含有一条预制水平裂隙的材料破坏机制的研究尚未见诸文献。笔者试图根据相关试验，结合数值分析结果，探索压应力作用下含有一条水平裂隙的类岩石材料断裂损伤破坏机制。   1.实验过程及现象分析   1.1材料制备与实验   为了观察预制水平裂隙类岩石材料受单向压缩情况下的力学响应，笔者采用试件养护过程中拔出铝合金薄钢片[14]的方法制作试件材料，模型尺寸为150mm×30mm×200mm，铝合金薄钢片尺寸为20mm×0.4mm×40mm，裂隙位于材料体中部。　　水泥砂浆组分由标号425的白水

5、泥、自来水和经1.05mm孔径筛分过的细沙组成，各组分体积配合比为：水泥：水：细沙=2：1：1。浆体浇入模型后1.5~2小时，待其初凝基本完成后，在试件体内垂直插入表面均匀涂抹润滑剂的铝合金片；在室温环境下静置养护24小时后拆模，并拔出铝合金片。本次试验加载装置采用高精度能控制加载速度的电液伺服控制试验机，配合DCS—200加载控制系统软件，在200N/S的力控加载速度下，观察并记录试件加载过程中裂隙尖端变形特性及试件整体破坏模式。　　实验过程中，在试件上下受压端与机头钢块之间布置预先涂抹黄油的橡皮垫，以减弱端部效应的影响；在试件中部

6、放置千分表，表征试件受压过程中的横向变形特性。　　1.2.实验结果与分析   试验过程中发现：预制贯通裂隙类岩石材料整体破坏主要有两种模式：裂隙尖端屈服破坏和裂隙中部受拉破坏。　　1.2.1裂隙尖端屈服破坏   这类破坏模式是以裂隙尖端屈服破坏后引起试件斜对角线上的最大剪应力破坏为主，试件在破坏过程中表现出比较明显的塑性特征。裂隙尖端裂纹发育时间比较迟，裂纹出现后缓慢扩展，直至试件整体破坏前并无明显裂纹加速扩展迹象，整个破坏过程持续时间约有3～5s，此种破坏模式下能够清楚观察到裂纹的起裂、扩展过程；在裂纹发育前，试件横向变形开始加速，

7、但是横向总变形量不大。   1.2.2裂隙中部受拉破坏   这类破坏模式以裂隙面中部材料受横向拉伸作用下的受拉破坏为主，试件破坏过程中材料塑性特征表现不明显。加载初期，裂隙中部垂直裂隙面方向上出现长度较短，张开度较小的细裂纹；细裂纹出现后并没有继续扩展，而是处于停滞状态，持续时间大约7～9s，此阶段试件的横向变形增长缓慢；继续加载，裂纹开始加速扩展，直至试件整体发生破坏，这一过程持续时间不足2s，且横向变形加速比较明显，破坏前试件横向总变形量比较大大；此种破坏模式下裂隙尖端没有明显破坏迹象。　　实验过程中，笔者发现介于两种破坏模式之间

8、的实验现象，如图5所示。加载初期，裂隙中部垂直裂隙面方向上出现长度较短，张开度较小的细裂纹，发育一定程度后扩展停滞；继续加载，位于裂隙面上部的竖向微裂纹逐渐消失，同时在裂隙左端点出现微裂纹，并沿加载方向向上扩展；加载继续