杨志良, 马衍坤, 叶 鹏, 常仁强, 王登科, 王 猛

(1.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001;2.山东华坤地质工程有限公司新汶矿业集团有限责任公司生产服务分公司,山东 泰安 271000)

0 引 言

层状岩体在工程施工中很是常见,在隧道施工、煤矿开采等工程均涉及到与层状岩体有关的力学问题[1-2],但是目前在工程实践中通常会忽略层理对裂纹扩展的影响。周扬一等[3]利用薄层灰岩,分析了存在层理的岩石,其中裂纹的扩展趋势,得到垂直穿过层理的I形裂纹,在弱面处发生转折并沿弱面扩展的断续裂纹,与层理斜交的复合型裂纹这3种裂纹形态;张桂民等[4]对存在不同层理面角度的岩石进行实验,得出层理角度对破裂模式有影响,且抗压强度曲线呈凹型变化;梁正召等[5]研究在力学试验中,层理面角度对试样破裂形态的影响,当层面角度在0°和90°中间时,试块为沿着层理方向发生剪切破坏,当角度为0°和90°时,试件强度较高,发生脆性剪切破坏;赵子江等[6]发现层理方向对断裂韧度值分布范围有影响,表明在实际工程中,层理具有较大影响;许多等[7]分析在拉伸状态下的层理对煤岩破裂的影响。以上研究均表明目前的研究主要集中在层间界面、层理角度对裂纹扩展路径的影响,而对于弱层理的存在是如何影响裂纹扩展的研究不是很清楚,需要进一步进行实验分析与探讨。因此,利用预制裂纹且中间层是弱层理的三层三点弯曲梁的裂纹扩展路径,分析了弱层理对此三点弯曲梁破坏过程中裂纹扩展的影响作用机制。

1 试样制备和试验方法

1.1 试样制备

实验利用配比的水:水泥:砂:石子=220:667:447:1016,制作强度分别是35MPa,5MPa的混凝土,制作混凝土组合体时,首先制作下层,将搅拌均匀的实验材料倒入塑料模具中,其厚度占总体的1/3,其余部分用隔板隔开,在振动台上振出气泡后静置2h。随后以同样的方法制作中层。最后制作下层,去除隔板,进行振动、压实,静置24h后进行脱模,将脱模后的试件放置在养护箱中养护,最后利用金刚石切割机切割成深度约为5mm的预制裂缝。

1.2 试验方法

利用尺寸为=160mm×40mm×40mm的棱柱体试样进行三点弯曲试验,利用WAW-1000D电液伺服液压万能试验机进行三点弯曲试验,如图1所示。利用位移加载方式,加载速率分别为0.06mm/min,0.3mm/min,6mm/min,直到试样失效。

图1 实验装置

利用高速摄像机对试样三点弯曲加载过程进行拍摄记录．在试件表面随机喷涂黑白漆制作40mm×40mm的均匀分布的散斑。试验过程中相机采集速率设定为500帧/s。

图2 典型应力-应变曲线

图3 试件三点弯曲破裂过程

2 结果与分析

2.1 破裂形态分析

根据不同加载速率下试样的破裂过程将破裂阶段划分为3个阶段,如图2所示,Ⅰ点表示破裂阶段第一阶段终点,此时裂纹到达中层和下层界面;Ⅱ点表示破裂阶段第二阶段终点,此时裂纹到达中层和上层界面;Ⅲ点表示破裂阶段第三阶段终点,此时裂纹贯穿试件,试件断裂。试样破裂过程如图3所示,利用红色曲线表示裂纹的扩展路径。

第1阶段,当应力达到最大值时,试件开始产生裂纹,裂纹一开始出现在预制裂缝的尖端,并在下层持续扩展。

第2阶段,此时裂纹在中层,也就是在弱层理扩展。同时观察破裂过程图,发现裂纹没有立刻穿透中层,而是发生水平迁移;当扩展到一定距离时,裂纹会再次沿着反方向发生水平迁移。此时,上层暂时完好。

第3阶段,裂纹在上层扩展。裂纹从上层下部延伸并持续扩展,最终整个试件被破坏。

2.2 应力-应变曲线特征

不同加载速率下的应力-应变曲线如图4所示。当加载速率为0.06mm/min时,最大应力为1.94MPa,此时对应的应变为0.18;当加载速率为0.3mm/min时,最大应力为2.03MPa,此时对应的应变为0.098;当加载速率为6mm/min时,最大应力为2.66MPa,此时对应的应变为0.064。在三点弯曲试验条件下,试件的峰值应力随着加载速率的增加而增加,而对应峰值应力的应变有所减小。

图4 不同加载速率下应力-应变曲线

由此可以看出在荷载的作用下,破坏裂纹在弱层理处发生弯曲,并且裂纹的扩展路径都发生的偏移,其偏移距离与加载速率成正比。

2.3 DIC分析

利用DIC可以直观的观察到试件断裂过程中不同阶段的全场应变变化情况,如图5所示。

在裂纹扩展的第一阶段,此时裂纹在下层扩展,高应变集中在A区域,沿着破裂路径发展。

第二阶段,裂纹在中层扩展,高应变集中在B区域,与第一阶段相比发生了水平偏移,随着裂纹的扩展,高应变区域会发生反方向的水平迁移;在此阶段中,裂缝扩展的过程中不是一条直线,高应变区域发生水平偏移,这是因为弱层理的存在阻碍了裂纹穿过层理,导致裂纹沿着层理方向发生偏移。弱层理存在时,导致裂纹扩展路径主要是顺着层理破裂与穿过层理破裂交替发生,产生偏转的复杂的裂纹形态。且随着加载速度增加,顺着层理破裂的现象越明显。

第三阶段,裂纹在上层扩展,高应变集中在C区域,会趋向于竖直向上扩展的状态。在破裂过程中,在裂纹扩展路径的应变较大,表明在断裂过程中,应力集中在裂缝尖端处。

图5 不同加载速率试样的应变演化

对比不同加载速率情况下的应变大小,当加载速率为0.06mm/min,微应变为0.2802996με,总裂纹长度为37.96mm,顺层裂纹长度为3.27mm;当加载速率为0.3mm/min时,微应变为0.1543203με,总裂纹长度为38.35mm,顺层裂纹长度为5.1mm;当加载速率为6mm/min,微应变为0.1202712με,总裂纹长度为44.1mm,顺层裂纹长度为9.1mm。可知应变与加载速率成负相关关系,这是与应力-应变曲线是相对应的,裂纹总长度与裂纹沿着层理方向偏移的长度与加载速率成正比。由此可见,加载速率的增加会促进弱层理对裂纹扩展的影响,使得弱层理的止裂效果越好。

3 结 论

(1)当试样破坏时,裂纹总是沿着层理方向发生偏移,并且裂纹形态发生弯曲,偏移距离也随加载速率的增加而增加。

(2)在应力-应变曲线中,应力首先增加至峰值点后随即下降,且因为存在着弱层理,下降趋势有所减缓。

(3)随着加载速率的增加,弱层理的存在使得三点弯曲条件下层状试样的承载能力有所加强,但是对应峰值应力所产生的最大位移却在减小。当加载速率从0.06mm/min增加到6mm/min,总裂纹长度从37.96mm增加到44.1mm,顺层破裂裂纹长度从3.27增加到9.1。随着加载速率的增加,弱层理的止裂效果越明显。