董晉鵬，楊圣奇,，李 斌，黃彥華

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇，徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇，徐州 221116)

由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，巖體總是從拉應(yīng)力區(qū)開(kāi)始破壞，因此拉應(yīng)力高低往往是巖體工程失穩(wěn)破壞的重要因素之一[1]。目前測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的方法有直接和間接拉伸兩種，前者要求試樣滿足特定形狀并且試樣與夾具要有足夠黏聚力，操作不易因此較少使用，后者為巴西劈裂法，即在圓盤試樣的直徑方向上施加相對(duì)線性荷載，使之沿試樣直徑方向破壞的試驗(yàn)[2]。后者于1978年被國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)列為推薦方法[3]，因操作簡(jiǎn)單、方法易行而被國(guó)內(nèi)外廣泛采用[4－5]，我國(guó)也將其寫(xiě)入規(guī)范之中[6－7]。目前已有大量有關(guān)巴西劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)、理論及模擬研究，如鄧華鋒等[8]研究了不同厚徑比對(duì)砂巖試樣抗拉強(qiáng)度的影響；張磊和劉保國(guó)[9]采用五種巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)四種不同抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，分析結(jié)果表明指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合情況與試驗(yàn)值最接近，描述精度最好；Guha Roy和Singh[10]在無(wú)側(cè)限應(yīng)力條件下研究了熱處理對(duì)花崗片麻巖拉伸性能的影響，結(jié)果表明隨著試樣熱處理溫度的增加，巖石的抗拉強(qiáng)度普遍降低；此外，喻勇等[11－12]認(rèn)為巴西圓盤試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度公式雖來(lái)自二維彈性力學(xué)理論，但并不能滿足平面應(yīng)力或應(yīng)變的要求，并分析了三維條件下巴西圓盤試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律；張盛等[13]采用三維有限元法分析了平臺(tái)巴西圓盤的起裂位置和厚度對(duì)常用抗拉公式的影響。這些研究對(duì)實(shí)踐工程具有一定的指導(dǎo)意義。

然而，自然地質(zhì)巖體中由于普遍分布斷層、節(jié)理等裂隙而具有不連續(xù)性，這些裂隙的存在會(huì)對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，并且與巖體的失穩(wěn)破壞密切相關(guān)[14]，因此研究含裂隙巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)認(rèn)識(shí)巖體和服務(wù)于工程實(shí)踐都具有重要意義。室內(nèi)可通過(guò)人工添加預(yù)制裂隙的方法表征這些天然裂隙，然后再基于室內(nèi)試驗(yàn)方法研究其強(qiáng)度變形等力學(xué)特性和裂紋擴(kuò)展特征[15－17]。現(xiàn)已知裂隙不同的幾何參數(shù)(裂隙長(zhǎng)度、裂隙傾角、巖橋傾角等)會(huì)對(duì)巖石的力學(xué)和裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生重要影響，如楊圣奇等[18]分析了單軸壓縮下含孔洞裂隙砂巖的力學(xué)特性，表明含孔洞裂隙砂巖力學(xué)參數(shù)的降低幅度與孔洞直徑及缺陷是否對(duì)稱分布密切相關(guān)；任利等[19]應(yīng)用修正的壓剪判據(jù)于裂隙巖體試樣的抗壓強(qiáng)度求解公式之上，并討論了裂隙傾角、裂隙長(zhǎng)度對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)理；肖桃李等[20]研究了三軸壓縮試驗(yàn)下預(yù)制特定傾角和尺寸的斷續(xù)貫通雙裂隙類巖石試樣的破壞特征，得出試樣的宏觀破裂軌跡有翼裂紋、反翼裂紋和次生共面裂紋三種類型；Lee和Jeon[21]進(jìn)行了含兩條不平行裂隙(一條水平裂隙、一條傾斜裂隙)的花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明花崗巖的拉張裂紋總是伴隨著剪切裂紋的萌發(fā)；滕尚永等[22]進(jìn)行了充填與非充填下單裂隙與雙裂隙巴西圓盤抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)；黃彥華和楊圣奇[23]還通過(guò)顆粒流程序(PFC)對(duì)不同圍壓下的斷續(xù)雙裂隙紅砂巖進(jìn)行模擬，分析了圍壓及巖橋傾角對(duì)斷續(xù)雙裂隙紅砂巖強(qiáng)度破壞特征的影響規(guī)律。

上述試驗(yàn)充分考慮了不同因素對(duì)含裂隙巖樣力學(xué)特性的影響，但實(shí)際地質(zhì)巖體的斷層或節(jié)理破碎帶中往往存在有充填物，如圖1所示為頁(yè)巖裂隙中充填的方解石礦物[24]。從理論上分析，充填物具有一定的承壓能力并且會(huì)使節(jié)理裂隙附近的應(yīng)力集中程度降低，然而關(guān)于裂隙充填下對(duì)巖石力學(xué)特性的研究較少。鑒于此，本文配制了兩組含預(yù)制共面雙裂隙的類巖石巴西圓盤試樣，一組充填，一組非充填，采用DNS 300巖石伺服機(jī)進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，探究充填與否對(duì)共面雙裂隙巴西圓盤試樣抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，并對(duì)其裂紋擴(kuò)展特征加以分析，最后通過(guò)XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)對(duì)部分試樣的主應(yīng)變演化規(guī)律進(jìn)行分析，以期為含節(jié)理裂隙或斷層的工程建設(shè)提供參考。

圖1 含有方解石充填的垂直天然裂隙巖芯[24]Fig 1 Marcellus Shale drill core that contains a calcite filled vertical natural fracture[24]

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

1.1 試樣制作及驗(yàn)證

目前針對(duì)含裂隙巖石的研究大多以類巖石材料作為研究對(duì)象，相比于天然巖石，類巖石材料的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確預(yù)制裂隙，而且材料性質(zhì)可控、離散性低，十分便于研究分析。鑒于此，本次試驗(yàn)所用試樣采用由水泥砂漿澆筑的類巖石材料，澆筑模具如圖2(a)所示，其中模具底座是利用3D打印機(jī)設(shè)計(jì)并制作的。模具底座含有不同幾何分布的插槽，見(jiàn)圖2(b)，其上可插上云母片，用以制備不同裂隙傾角的充填與非充填共面雙裂隙巴西圓盤試樣。

圖2 制樣設(shè)備Fig.2 Equipment of sample preparation

基于已有的室內(nèi)配比試驗(yàn)，并充分考慮天然巖石拉壓強(qiáng)度比低且質(zhì)地硬脆的特性，經(jīng)不斷嘗試最終選用水泥∶石英砂∶水=1∶0.8∶0.35的質(zhì)量比配制類巖石材料，其中水泥為C42.5普通硅酸鹽水泥，石英砂直徑范圍為0.106 mm ～0.212 mm。試樣制作過(guò)程如下：

1) 攪拌：按照配合比稱取原材料，混合后倒入專用攪拌機(jī)，隨后攪拌3 min～5 min，使砂漿混合物充分均勻；

2) 澆筑：將砂漿混合物倒入內(nèi)部尺寸為50 mm×100 mm的模具(模具內(nèi)壁預(yù)先涂刷潤(rùn)混油便于后期脫模)后放置于振動(dòng)臺(tái)上以適當(dāng)頻率振動(dòng)約2 min，漿面平滑且不再冒泡時(shí)認(rèn)為振動(dòng)完成。在此澆筑過(guò)程中，對(duì)于充填裂隙試樣不再將云母片取出，而對(duì)于非充填裂隙試樣，澆筑后待水泥漿初凝前將云母片取出；

3) 脫模、養(yǎng)護(hù)：將模具放置于水平地面上靜置24 h，隨后將試樣脫模并放入專用的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d；

4) 切割、打磨：養(yǎng)護(hù)完成待試樣完全干燥后進(jìn)行切割和打磨，最終制成D×t=50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)巴西圓盤試樣和D×H=50 mm×100 mm的完整圓柱試樣，用于巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)。

為驗(yàn)證該類巖石材料的合理性，對(duì)3個(gè)完整圓柱試樣和3個(gè)完整圓盤試樣分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，以獲取其單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)，并與真實(shí)巖石材料進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，類巖石試樣的單軸壓縮強(qiáng)度分別為69.15MPa、65.26 MPa和69.98 MPa，平均值為68.13 MPa，離散系數(shù)(定義為一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值之比，下同)為3.02%，其抗拉強(qiáng)度分別為6.09 MPa、6.79 MPa和6.85 MPa，平均值為6.58 MPa，離散系數(shù)為5.25%，可見(jiàn)試樣具有較好的一致性，且試樣符合巖石脆性和壓拉強(qiáng)度比要求(見(jiàn)表1)，因此該類巖石試樣可用于后續(xù)試驗(yàn)研究。

圖3 類巖石材料基本力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of basic mechanical tests of rock-like materials

表1 類巖石材料力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of mechanical parameters of rock-like materials

本次試驗(yàn)所制試樣分為充填與非充填共面雙裂隙巴西圓盤，裂隙幾何參數(shù)如圖4所示，裂隙傾角α(裂隙與水平方向的傾角)為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，共7組，巖橋傾角β與(裂隙內(nèi)部尖端連線與水平方向的夾角)裂隙傾角相同。裂隙長(zhǎng)度2a=8 mm，巖橋長(zhǎng)度2b=10 mm。

圖4 共面雙裂隙試樣裂隙幾何參數(shù)及加載條件Fig.4 Geometrical parameters and loading conditions for specimens containing two coplanar pre-existing fissures

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載過(guò)程

試驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)DNS 300巖石伺服機(jī)上進(jìn)行。伺服機(jī)及相關(guān)設(shè)備如圖5所示，其中：① 為DNS 300巖石伺服機(jī)；② 為該伺服機(jī)操作系統(tǒng)；③ 為XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)；④ 為兩個(gè)高精度攝像機(jī)；⑤ 為DS2系列聲發(fā)射系統(tǒng)。伺服機(jī)所能施加的最大軸向力為300 kN，試驗(yàn)統(tǒng)一采用位移控制準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，加載速率為0.01 mm/min。試樣加載前利用熱熔槍將聲發(fā)射探頭耦合在試樣背面，用以采集試樣的聲發(fā)射信號(hào)，整個(gè)加載過(guò)程利用數(shù)字照相技術(shù)對(duì)巖樣正面圖像進(jìn)行記錄和信息采集，用以分析試樣的裂紋擴(kuò)展特征和破壞模式。

圖5 DNS300巖石伺服機(jī)及相關(guān)設(shè)備Fig.5 DNS300 rock servo machine and related facilities

2 力學(xué)響應(yīng)分析

巴西劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：σt/MPa為試樣抗拉強(qiáng)度；Pmax/N為試樣破壞時(shí)的最大荷載；D/mm為試樣直徑；t/mm為試樣厚度。為避免同組圓盤試樣的差異所引起的離散性掩蓋裂隙傾角對(duì)充填與非充填雙裂隙試樣強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，本文首先對(duì)試樣的差異性進(jìn)行了驗(yàn)證，在1.1節(jié)中已提及，完整圓盤的3個(gè)試樣平均值為6.58 MPa，離散系數(shù)為5.25%，試樣具有較好的一致性，可用于后續(xù)試驗(yàn)研究。此外，對(duì)不同裂隙傾角下的充填與非充填試樣進(jìn)行了3組重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為試樣的抗拉強(qiáng)度參數(shù)并探究其變化規(guī)律，以減小試驗(yàn)誤差。根據(jù)式(1)計(jì)算所得不同裂隙傾角下的抗拉強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同裂隙傾角充填與非充填試樣抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì) /MPaTable 2 Tensile strength statistics of filled and non-filled specimens under different crack angles

根據(jù)表2結(jié)果繪制充填與非充填試樣抗拉強(qiáng)度隨裂隙傾角α的變化曲線，如圖6所示。由圖6(a)可見(jiàn)，充填試樣的抗拉強(qiáng)度隨裂隙傾角的增加總體上呈下降趨勢(shì)。裂隙傾角為0°時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度為5.31 MPa(平均值，下同)；當(dāng)其增大至15°時(shí)，抗拉強(qiáng)度稍有增加，但近似保持不變；而當(dāng)裂隙傾角由15°增至30°時(shí)，抗拉強(qiáng)度大幅下降，由5.50 MPa下降至3.43 MPa，降幅為37.6%；隨后是裂隙傾角α處于30°～60°的區(qū)間，此時(shí)抗拉強(qiáng)度與裂隙傾角之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，但總體上變化幅度不大，介于3.43 MPa～4.05 MPa之間；當(dāng)裂隙傾角大于60°時(shí)，抗拉強(qiáng)度先減小后增大，在75°時(shí)達(dá)到最小值2.45 MPa。相比充填試樣而言，非充填試樣的抗拉強(qiáng)度變化幅度較小，介于2.94 MPa～4.18 MPa，大致可分為3個(gè)階段：第一階段為裂隙傾角小于45°所對(duì)應(yīng)的曲線，在此階段內(nèi)試樣抗拉強(qiáng)度基本保持不變，總體趨于緩和；當(dāng)裂隙傾角由45°增加至60°時(shí)，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，由3.94 MPa降至2.94 MPa，降幅為26.1%，此為第二階段；最后裂隙傾角由60°增加至90°所對(duì)應(yīng)的曲線為第三階段，此階段抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與第一階段相同，總體上趨于平緩。圖6(c)為充填與非充填試樣抗拉強(qiáng)度的平均值比較，可見(jiàn)裂隙傾角對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度的影響較大，除個(gè)別裂隙傾角外，總體上抗拉強(qiáng)度隨著裂隙傾角的增大而減小。當(dāng)裂隙傾角為0°～15°時(shí)，充填試樣的抗拉強(qiáng)度高于非充填試樣的，且兩者相差較大。而裂隙傾角大于30°時(shí)，充填與非充填試樣的抗拉強(qiáng)度相互交織，兩者相差不大。由此說(shuō)明當(dāng)裂隙傾角小于15°時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度受充填的影響較大，而裂隙傾角從30°起，試樣充填與否對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度的影響不大。此外，從圖6(c)不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是充填還是非充填圓盤試樣，其抗拉強(qiáng)度均小于完整試樣的抗拉強(qiáng)度，可見(jiàn)兩者在一定程度上都影響了試樣的完整性，從而引起抗拉強(qiáng)度的降低。

圖6 抗拉強(qiáng)度隨裂隙傾角α的變化Fig.6 Changes of tensile strength with fissure inclination α

為進(jìn)一步探討不同裂隙傾角下充填與非充填試樣的力學(xué)特性差異，對(duì)比同一組裂隙傾角下3條拉應(yīng)力-位移曲線后，每組選取其中典型的1條繪制圖7所示曲線。

圖7 不同裂隙傾角α對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力-位移曲線Fig.7 Tensile stress-displacement curves with different fissure inclinations α

由圖7可見(jiàn)，試樣的拉應(yīng)力-位移曲線隨著裂隙傾角的改變也發(fā)生相應(yīng)的變化，具體體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度與曲線斜率的不同。此外無(wú)論是充填試樣還是非充填試樣，二者達(dá)到抗拉強(qiáng)度后均發(fā)生脆性破壞，拉應(yīng)力出現(xiàn)大幅度跌落，但非充填試樣較充填試樣發(fā)生較早的應(yīng)力跌落，在位移較小時(shí)就便發(fā)生破壞，可見(jiàn)非充填試樣在相同的加載條件下更容易發(fā)生破壞。另外，初始裂隙傾角為0°時(shí)，預(yù)制裂隙與試樣加載方向垂直，抗拉強(qiáng)度較高，且拉應(yīng)力-位移曲線第一次出現(xiàn)應(yīng)力跌落后又繼續(xù)升高，原因是當(dāng)試樣達(dá)到第一次峰值后，隨著加載的繼續(xù)原先試樣內(nèi)部的裂紋、孔洞等被壓實(shí)從而使試樣仍然具有強(qiáng)度特征。隨著裂隙傾角的增加，即充填材料與加載方向逐漸一致，充填材料逐漸失去作用，其抵抗破壞的能力逐漸減弱，因此充填試樣與非充填試樣的抗拉強(qiáng)度差距逐漸減小。由此可見(jiàn)，充填材料雖然一定程度上增加了試樣的完整性，使得抗拉強(qiáng)度在一定程度上有所提高，但這種提高是有局限性的。

3 聲發(fā)射特征與裂紋演化分析

聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)是指巖石等材料在受載或者高溫條件下，內(nèi)部集聚的應(yīng)變能以瞬態(tài)彈性波的形式向外界釋放的一種現(xiàn)象[26]。巖石的每一次損傷即產(chǎn)生一次聲發(fā)射現(xiàn)象并釋放彈性波，可用相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集，因此可用巖石的聲發(fā)射特征對(duì)其進(jìn)行裂紋演化擴(kuò)展分析。

通常含預(yù)制單裂隙的試樣受壓加載后，預(yù)制裂隙的端部往往最先產(chǎn)生裂紋，即發(fā)生起裂現(xiàn)象。伴隨加載過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，裂紋將沿某一曲線路徑不斷擴(kuò)展，直至與加載方向平行并持續(xù)延伸到試樣邊緣，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生破壞。學(xué)者們通常稱這種裂紋為翼裂紋，翼裂紋的擴(kuò)展與貫通通常被認(rèn)為是試樣發(fā)生破壞的主要形式之一[27]。然而對(duì)于共面雙裂隙試樣，裂隙的幾何分布與加載方式等的不同會(huì)導(dǎo)致其裂紋擴(kuò)展與破壞方式也發(fā)生相應(yīng)的改變。值得注意的是，即便是同一類型試樣在相同條件下，由于試樣的離散性其裂紋擴(kuò)展路徑也會(huì)有所不同，使得對(duì)試樣裂紋擴(kuò)展的描述不具有唯一性，從而產(chǎn)生偏離其客觀規(guī)律的可能。因此，本文對(duì)每一裂隙傾角下的充填與非充填雙裂隙試樣均設(shè)立了三組重復(fù)試驗(yàn)，比較三組試樣的力學(xué)特征與破壞模式，從中挑選出一個(gè)典型試樣進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，以剔除個(gè)別試樣的離散性所帶來(lái)的偏差，進(jìn)而最大程度保證分析結(jié)果符合其客觀規(guī)律。

圖8(a)和圖8(b)分別展示了α=0°時(shí)充填與非充填雙裂隙試樣的試驗(yàn)結(jié)果。從曲線中可以看出，二者均先經(jīng)歷了孔隙裂隙壓密階段和線彈性階段，隨后到達(dá)起裂點(diǎn)A(A#)出現(xiàn)初始裂紋1和2(為便于對(duì)比分析，將非充填試樣產(chǎn)生的一條裂紋近似看成兩條)，并且注意到充填試樣的起裂應(yīng)力高于非充填試樣的起裂應(yīng)力，這表明裂隙充填后可以增加其強(qiáng)度。裂紋1和2的產(chǎn)生使A點(diǎn)處應(yīng)力突然跌落，并伴隨有聲發(fā)射計(jì)數(shù)突增的現(xiàn)象。隨著荷載的增加，裂紋形成貫通速度加快，裂紋1和2也不斷向試樣邊緣擴(kuò)展，試樣結(jié)構(gòu)損傷加劇，這導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的彈性波，因此聲發(fā)射事件變得異?；钴S。當(dāng)應(yīng)力增加至峰值強(qiáng)度時(shí)，裂紋1和2也擴(kuò)展至試樣端面，最終使得試樣失穩(wěn)破壞，累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)也達(dá)到最高值。對(duì)比充填與非充填圓盤試樣可以發(fā)現(xiàn)，充填試樣的次生裂紋3在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度附近產(chǎn)生，而非充填試樣對(duì)應(yīng)的次生裂紋在起裂時(shí)刻便已產(chǎn)生，但總體上看，兩者產(chǎn)生的裂紋均為拉張裂紋，裂紋擴(kuò)展路徑類似，說(shuō)明α=0°時(shí)裂隙充填情況下對(duì)試樣的破裂模式幾乎沒(méi)有影響。

圖8 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=0°)Fig.8 Brazilian splitting test results of samples (α=0°)

圖9(a)和圖9(b)分別為α=15°時(shí)充填與非充填試樣的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。由拉應(yīng)力-時(shí)間曲線圖可以看出，試樣首先經(jīng)歷裂隙壓密階段，此階段內(nèi)試樣內(nèi)部的天然缺陷在外部荷載作用下壓密閉合，試樣沒(méi)有新的裂紋產(chǎn)生，因此該階段并無(wú)明顯的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。隨后試樣經(jīng)歷線彈性階段達(dá)到峰值強(qiáng)度后發(fā)生破壞，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征，此時(shí)應(yīng)變能急劇釋放，聲發(fā)射計(jì)數(shù)事件隨之急劇增加。其中在A(A#)處非充填試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)幾乎是充填試樣的2倍，可見(jiàn)兩者在破壞時(shí)釋放的能量存在很大差異，更高的能量釋放表明其破壞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度更高。另外，對(duì)試樣的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，充填試樣首先在A處產(chǎn)生了拉伸裂紋1、2和次生裂紋3，此時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力跌落，隨后隨著應(yīng)力的逐漸增加，裂紋1和2不斷發(fā)育加寬，裂紋3向中部不斷擴(kuò)展，同時(shí)又萌生了次生裂紋4。相比充填試樣，非充填試樣只經(jīng)歷一次峰值便發(fā)生破裂，在中部產(chǎn)萌生有裂紋1(1a與1b)和2，在邊緣萌生有次生裂紋3和4，可以發(fā)現(xiàn)其裂紋形態(tài)與充填試樣的十分相近。由此可見(jiàn)，此時(shí)充填與否對(duì)試樣的破裂模式影響不大。

圖9 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=15°)Fig.9 Brazilian splitting test results of samples (α=15°)

圖10(a)和圖10(b)分別為裂隙傾角α=30°時(shí)充填與非充填雙裂隙巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。由拉應(yīng)力-時(shí)間曲線可以看出，充填試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后直接發(fā)生脆性破壞，在中部產(chǎn)生拉張裂紋1和2(2a和2b)，其中裂紋2a擴(kuò)展至試樣邊緣，此時(shí)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)都大幅增加。相比充填試樣，非充填試樣的拉應(yīng)力-時(shí)間曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值，試樣首先在應(yīng)力A#處發(fā)生起裂現(xiàn)象，在預(yù)制裂隙②的內(nèi)尖端處產(chǎn)生起裂裂紋3和4，隨著荷載繼續(xù)增加至峰值強(qiáng)度起裂裂紋3和4，隨著荷載繼續(xù)增加至峰值強(qiáng)度B#時(shí)，試樣又在中部產(chǎn)生了拉張裂紋1和2，與此同時(shí)又萌生了次生裂紋5，裂紋3與4也向試樣邊緣有所擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣破壞，試樣在A#、B#兩處也都出現(xiàn)了應(yīng)力跌落和頻繁的聲發(fā)射事件。對(duì)比充填與非充填試樣可以看出，兩者均發(fā)生徑向拉伸破壞，并且充填試樣與裂隙傾角為0°和15°的試樣破裂模式相似，而非充填試樣首次在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生了裂紋，可見(jiàn)α由15°增至30°時(shí)，非充填試樣預(yù)制裂隙的尖端所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)有所增加。

圖10 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=30°)Fig.10 Brazilian splitting test results of samples (α=30°)

圖11(a)和圖11(b)分別為裂隙傾角α=45°時(shí)充填與非充填試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

圖11 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=45°)Fig.11 Brazilian splitting test results of samples (α=45°)

從圖11可以看出，試樣均發(fā)生脆性拉伸破壞，在破壞時(shí)向外界傳遞彈性波，因此有較集中的聲發(fā)射計(jì)數(shù)事件。此外充填試樣在中間部位萌發(fā)有裂紋1和2，在預(yù)制裂隙②的內(nèi)尖端產(chǎn)生了翼裂紋4，在其外尖端產(chǎn)生了翼裂紋3，并且裂紋3逐漸由試樣端面擴(kuò)展至裂隙外尖端，最終試樣失穩(wěn)破壞。與前述充填試樣相比，此處萌發(fā)的翼裂紋3和4是前面試樣所未產(chǎn)生的。相比而言，非充填試樣在預(yù)制裂隙②處沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，而僅在預(yù)制裂隙①的內(nèi)尖端產(chǎn)生翼形裂紋1，在其外尖端產(chǎn)生翼形裂紋2。在翼形裂紋1和2的擴(kuò)展過(guò)程中萌生了反翼形裂紋3，裂紋1和3在預(yù)制裂隙1的內(nèi)尖端相交匯。總結(jié)兩試樣的破裂模式可知，相比α=30°的試樣，此時(shí)的非充填試樣已轉(zhuǎn)變?yōu)橛深A(yù)制裂隙尖端完全產(chǎn)生翼裂紋，而充填試樣正處于由中部拉張裂紋向預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生翼裂紋的過(guò)渡。

圖12(a)和圖12(b)分別為裂隙傾角α=60°時(shí)充填與非充填雙裂隙試樣的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

圖12 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=60°)Fig.12 Brazilian splitting test results of samples (α=60°)

由圖12可見(jiàn)，與α=45°相比此時(shí)充填試樣無(wú)中間的拉伸裂紋產(chǎn)生，而僅以預(yù)制裂隙尖端萌生的翼裂紋為主。非充填試樣的裂紋擴(kuò)展演化經(jīng)歷4個(gè)階段，第一階段為試樣應(yīng)力到達(dá)A#處發(fā)生起裂，產(chǎn)生翼裂紋1、2和次生裂紋3，此時(shí)的裂紋尚未發(fā)育，裂紋寬度較窄；隨后在到達(dá)應(yīng)力B#的過(guò)程中，裂紋1與裂紋2分別向下、向上擴(kuò)展，與此同時(shí)萌生次生裂紋4，此為第二階段；第三階段新萌生反向翼裂紋5，應(yīng)力也隨即到達(dá)C#處；最后應(yīng)力到達(dá)D#處時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中依稀可聽(tīng)到試樣清脆的破裂聲，雖無(wú)新裂紋萌生，但原先產(chǎn)生的裂紋都更加發(fā)育。此外，由非充填試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線可知，每個(gè)階段都對(duì)應(yīng)有較大的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力的跌落，這與裂紋的萌生、擴(kuò)展與發(fā)育所釋放的彈性波有關(guān)?？梢钥闯觯严秲A角為60°時(shí)，充填試樣與非充填試樣最終破裂時(shí)都產(chǎn)生了翼形裂紋1和2，區(qū)別在于前者在預(yù)制裂隙②的尖端產(chǎn)生的裂紋較寬，發(fā)育程度較高，而后者在①的尖端產(chǎn)生，發(fā)育程度較低。

圖13(a)和圖13(b)分別為裂隙傾角α=75°時(shí)充填與非充填雙裂隙試樣的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

圖13 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=75°)Fig.13 Brazilian splitting test results of samples (α=75°)

由圖13可知，充填試樣于A點(diǎn)處發(fā)生起裂，在預(yù)制裂隙①和②的尖端分別產(chǎn)生細(xì)微的翼裂紋1、2和3、4(圖為素描后放大圖)，并伴隨有應(yīng)力跌落與AE事件的增加。接著在應(yīng)力增加至B點(diǎn)的過(guò)程中，裂紋1和裂紋2分別向上和向下不斷擴(kuò)展，而裂紋3和裂紋4基本未發(fā)生擴(kuò)展現(xiàn)象，此外在試樣兩端分別萌發(fā)裂紋5和6。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度C時(shí)，裂紋1和2更加發(fā)育，裂紋寬度有所增加，裂紋3和4也明顯擴(kuò)展，且裂紋3的擴(kuò)展使預(yù)制裂隙①和②之間發(fā)生貫通；另外在裂紋6旁又萌生了一條較大的裂紋7。此階段的裂紋更為發(fā)育，應(yīng)力迅速跌落，相應(yīng)地產(chǎn)生了更高的聲發(fā)射計(jì)數(shù)。對(duì)于非充填試樣，其起裂時(shí)刻所產(chǎn)生的翼裂紋與充填試樣相似，而當(dāng)應(yīng)力到達(dá)B#處時(shí)，試樣在端部萌生次生裂紋7，此外新萌生的裂紋6貫通預(yù)制裂隙①和②，這與充填試樣由原先萌生的裂紋3擴(kuò)展導(dǎo)致貫通有所不同。

由圖14所示，裂隙傾角α=90°時(shí)，僅試樣端部所產(chǎn)生的次生裂紋4位置有所不同外，充填與非充填試樣的破裂模式十分相似，即試樣達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，試樣在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生翼裂紋，且翼裂紋在試樣中部匯合成一條裂紋2，與兩個(gè)預(yù)制裂隙匯合后貫通整個(gè)試樣。忽略裂隙所在位置，整體上看與裂隙傾角為0°時(shí)的破裂模式相同，都可認(rèn)為是拉伸劈裂破壞。此外兩者抗拉強(qiáng)度也幾乎相同，可見(jiàn)裂隙傾角為90°時(shí)充填與否對(duì)試樣的強(qiáng)度及破裂模式?jīng)]有影響。

圖14 試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果(α=90°)Fig.14 Brazilian splitting test results of samples (α=90°)

由上述分析已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)了充填與非充填試樣的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，為進(jìn)一步分析總結(jié)裂隙傾角及充填情況對(duì)其破壞模式的影響，圖15(a)和圖15(b)分別給出了充填與非充填試樣對(duì)應(yīng)的最終破裂模式的素描圖。由圖15可見(jiàn)，隨著裂隙傾角的增大，充填試樣與非充填試樣的破裂模式都逐漸由試樣中部產(chǎn)生的拉張裂紋向預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生的翼裂紋轉(zhuǎn)變(翼裂紋指首次在預(yù)制裂隙尖端萌生的裂紋，此處僅從裂紋幾何形態(tài)考慮)。

圖15 充填與非充填試樣最終破裂模式素描圖Fig.15 Sketches of final failure mode of filled and non-filled specimens

當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí)，充填與非充填試樣的破裂模式相近，都以試樣中部最大拉應(yīng)力處產(chǎn)生的拉張裂紋為主，并在試樣端部產(chǎn)生次生裂紋。裂隙傾角為15°試樣的破裂模式與0°的基本相同，區(qū)別在于此時(shí)的次生裂紋更加發(fā)育，裂紋長(zhǎng)度更長(zhǎng)。裂隙傾角為30°時(shí)，充填試樣的破裂模式基本保持不變，仍在中部產(chǎn)生拉張裂紋，但非充填試樣除中部產(chǎn)生拉張裂紋外，還在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生裂紋。當(dāng)裂隙傾角為45°時(shí)，充填試樣才開(kāi)始產(chǎn)生翼裂紋，此時(shí)非充填試樣則全部在預(yù)制裂隙尖端萌生翼裂紋，而不在試樣中部產(chǎn)生裂紋。裂隙傾角增大至60°時(shí)，充填與非充填試樣都僅以萌生翼裂紋為主，而且非充填試樣還有反向翼裂紋產(chǎn)生。裂隙傾角為75°時(shí)，充填與非充填試樣的兩個(gè)預(yù)制裂隙尖端則都萌生了翼裂紋，且兩個(gè)預(yù)制裂隙之間出現(xiàn)裂紋貫通現(xiàn)象，區(qū)別在于充填試樣的貫通裂紋由預(yù)制裂隙尖端的一條翼裂紋充當(dāng)，而非充填試樣則是新萌生的貫通裂紋。裂隙傾角為90°時(shí)，兩者破裂模式基本相同，都在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生了翼裂紋并且發(fā)生了貫通現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，充填與否對(duì)裂隙傾角α≤15°和α=90°試樣的破裂模式基本沒(méi)有影響，而對(duì)30°≤α≤75°試樣的破裂模式影響較大，整體上看充填試樣的破裂模式相比非充填試樣存在“滯后”現(xiàn)象。

4 光學(xué)數(shù)字散斑應(yīng)變分析

XTDIC系統(tǒng)是一種光學(xué)非接觸式三維變形測(cè)量系統(tǒng)，可用于表面形貌、位移以及應(yīng)變的測(cè)量和分析，并且所得應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)果可直觀顯示[28－29]。為進(jìn)一步驗(yàn)證試樣破裂過(guò)程中裂紋的演化規(guī)律及試樣的變形規(guī)律，以0°、45°、90°裂隙傾角下的充填與非充填巴西圓盤試樣為例，分別給出了其不同時(shí)刻下的應(yīng)變場(chǎng)演化云圖，見(jiàn)圖16～圖21。圖中均為試樣加載過(guò)程中的橫向應(yīng)變，其中拉應(yīng)變?yōu)檎?、壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。此外，圖中出現(xiàn)裂紋而未顯示應(yīng)變場(chǎng)云圖的區(qū)域是由于該區(qū)域應(yīng)變過(guò)大，超過(guò)了計(jì)算機(jī)軟件的計(jì)算閾值所致，屬于軟件分析處理過(guò)程中的正?，F(xiàn)象。

圖16和圖17分別表示α= 0°時(shí)充填與非充填巴西圓盤試樣表面的應(yīng)變場(chǎng)演化云圖。從圖16可以看出，在t1時(shí)刻前試樣的變形較小，至t2裂紋起裂時(shí)刻試樣應(yīng)變場(chǎng)云圖中部產(chǎn)生明顯的拉伸條帶，部分區(qū)域如裂紋1處甚至缺失云圖，表明該處局部應(yīng)變過(guò)大。隨后試樣加載至t3時(shí)刻，拉伸條帶中下部云圖全部缺失，上部也在裂紋2處出現(xiàn)應(yīng)變近4.757%的窄條帶區(qū)域，且其周圍的條帶區(qū)域也有所加寬。至最后t4時(shí)刻，中間拉應(yīng)變帶幾乎全部缺失，裂紋2左上端區(qū)域變形也不斷加大。圖17非充填試樣的應(yīng)變演化云圖與充填試樣相類似，也由t1時(shí)刻較小的變形逐漸形成t3時(shí)刻拉應(yīng)變集中帶，在最終破裂時(shí)刻局部應(yīng)變過(guò)大超過(guò)計(jì)算閾值而缺失云圖，并顯示出清晰的裂紋。

圖16 充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=0°)Fig.16 Strain field evolution cloud pictures of filled disc specimen (α=0°)

圖17 非充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=0°)Fig.17 Strain field evolution cloud pictures of non-filled disc specimen (α=0°)

圖18 充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=45°)Fig.18 Strain field evolution cloud pictures of filled disc specimen (α=45°)

圖19 非充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=45°)Fig.19 Strain field evolution cloud pictures of non-filled disc specimen (α=45°)

圖20 充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=90°)Fig.20 Strain field evolution cloud pictures of filled disc specimen (α=90°)

圖21 非充填圓盤試樣應(yīng)變場(chǎng)演化云圖(α=90°)Fig.21 Strain field evolution cloud pictures of non-filled disc specimen (α=90°)

圖18和圖19分別為α= 45°時(shí)充填與非充填圓盤試樣表面應(yīng)變場(chǎng)演化云圖。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在t1時(shí)刻二者均在裂隙尖端產(chǎn)生翼狀拉應(yīng)變帶，區(qū)別是其所在的裂隙位置有所不同。此外，隨著荷載的增加，兩者演化至最終破裂的過(guò)程也存在差異。對(duì)非充填試樣，在t2時(shí)刻，由t1時(shí)刻預(yù)制裂隙①處產(chǎn)生的翼狀拉應(yīng)變帶隨荷載增加變形繼續(xù)增加，最終在t4時(shí)刻局部應(yīng)變過(guò)大缺失云圖，此外在預(yù)制裂隙②處也開(kāi)始出現(xiàn)了明顯的翼狀拉應(yīng)變帶。而對(duì)充填試樣，最大拉應(yīng)變區(qū)域從t1到t2時(shí)刻發(fā)生了變化，由預(yù)制裂隙的外尖端上部轉(zhuǎn)移至其內(nèi)尖端上部(近似于試樣中部的位置)，隨后時(shí)刻在此處先產(chǎn)生拉張裂紋，最后又在裂隙②形成翼裂紋，這與第3節(jié)中所分析的裂紋擴(kuò)展特征相一致。

圖20和圖21分別為α= 90°時(shí)充填與非充填試樣表面應(yīng)變場(chǎng)演化云圖?？梢钥闯龆叨荚谠嚇又胁慨a(chǎn)生拉應(yīng)變集中帶，表明該區(qū)域產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，并且在最終時(shí)刻裂紋都沿預(yù)制裂隙發(fā)生了貫通現(xiàn)象。此外從非充填試樣的應(yīng)變場(chǎng)演化云圖中的t3時(shí)刻可以看出，試樣中部云圖最先缺失，表明該處應(yīng)變最先超過(guò)軟件計(jì)算閾值，所以試樣首先在此處產(chǎn)生裂紋2。對(duì)比α= 0°和α= 90°的試樣可以看出，在不考慮預(yù)制裂隙位置的情況下，兩者的應(yīng)變場(chǎng)演化云圖與破裂模式基本相同。

5 結(jié)論

本文對(duì)充填與非充填共面雙裂隙圓盤試樣進(jìn)行了巴西劈裂試驗(yàn)，分別分析了裂隙傾角對(duì)裂隙充填與非充填試樣抗拉強(qiáng)度的影響，并結(jié)合聲發(fā)射特征和數(shù)字散斑應(yīng)變分析系統(tǒng)分析了試樣的裂紋擴(kuò)展特征，綜上分析可得以下結(jié)論：

(1) 無(wú)論充填還是非充填試樣，其抗拉強(qiáng)度都低于完整試樣的抗拉強(qiáng)度，但相比非充填試樣，充填材料一定程度上增加了試樣的完整性，降低了預(yù)制裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度使其抗拉強(qiáng)度有所提高。試樣達(dá)到抗拉強(qiáng)度后均發(fā)生脆性破壞并伴隨有明顯的應(yīng)力跌落和聲發(fā)射計(jì)數(shù)事件，這與試樣內(nèi)部裂紋的萌發(fā)、擴(kuò)展與貫通有關(guān)。

(2) 充填與非充填試樣的抗拉強(qiáng)度受裂隙傾角的影響較大，整體上看隨裂隙傾角的增加而下降。對(duì)充填試樣，其抗拉強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)裂隙傾角α為[0°, 15°]、[30°, 60°]和[75°, 90°]的區(qū)間，強(qiáng)度由5.41 MPa(區(qū)間平均強(qiáng)度，下同)先降至3.8 MPa再降至2.9 MPa，降幅分別對(duì)應(yīng)為29.8%和23.7%；對(duì)非充填試樣，其抗拉強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)裂隙傾角α為[0°, 45°]和[60°, 90°]的區(qū)間，強(qiáng)度由4.03 MPa下降至3.11 MPa，降幅為22.8%。

(3) 裂隙充填與否對(duì)裂隙傾角α≤15°和α=90°試樣的破裂模式基本沒(méi)有影響，而對(duì)30°≤α≤75°試樣的破裂模式影響較大，隨著裂隙傾角的增大，裂隙充填與非充填試樣的破裂模式都由中部產(chǎn)生的拉張裂紋向預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生的翼裂紋轉(zhuǎn)變(此處僅考慮翼裂紋的幾何形態(tài)特征)，且在此轉(zhuǎn)變過(guò)程中充填試樣相比非充填試樣存在“滯后”現(xiàn)象。

(4) 數(shù)字散斑應(yīng)變分析系統(tǒng)對(duì)試樣表面應(yīng)變場(chǎng)的演化提供了直觀可靠的信息，對(duì)試樣的裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究提供了有效的驗(yàn)證和強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。