基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究.pdf

Vol. 29,No. 9 Sept 2020 第29卷第9期 2020年9月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 基于数字图像技术的含双预制裂隙类 岩石试样力学特性细观研究 李建旺12 1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083； 2.中铁十五局集团有限公司，上海200070 摘要岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在，而预制裂隙作 为一种典型的岩石缺陷，与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技 术DIC及颗粒流程序PFC,研究了单轴压缩状态下含双预制裂隙类岩石试样破坏全过程，得到了试样 破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明①当载荷到达 一定阶段，预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区，其形状近似椭圆，开始形成宏观I型裂纹翼形张拉裂 纹；②随着载荷的增大，微破裂聚集，预制裂隙端部开始形成宏观H型裂纹剪切裂纹，并与I型裂纹一 起持续发育直至试样破坏；③预制裂隙左右两侧和上下两侧的X方向和Y方向位移量差别较大，X方向 位移量在两条预制裂隙的右边为正值，左边为负值;Y方向位移量自固定端下端向加载端呈由大到小呈 梯度分布 关键词岩石力学；数字图像技术；颗粒流；单轴压缩；裂纹扩展 中图分类号TU45 文献标识码A 文章编号10044051202009016807 Mes o res earch on the mechanical propertie s of rock s pecimens with doublepre-exi tingfi ure ba edondigitalimagecorrelation LI Jianwang1,2 1. Key Laboratory of Ministry of Educ ation for Effic ient Mining and Safety of Metal Mine, University of Sc ienc e and Tec h nology Beijing, Beijing 100083, Ch ina； 2 Ch inaRailway15th BureauGroupCo. Ltd. Sh angh ai200070Ch ina Ab s tract Th e c rac ks initiation and evolution and distribution patterns in roc k failure proc ess are th e key to solve,h eroc kfailureproblems.Asa,ypic alroc k defec ,fissuresarec loselyrela,ed,o,h e mac rosc opic mec h anic als,a,eands,ruc ,uraldamagec h arac ,erisic sofroc ks.Usingdigialimagec orrelaionDIC and paric leflowc odePFCwes,udy,h ewh oleproc essoffrac ,ureofroc kspec imenswi,h doublepre-exising fissuresunderuniaxialc ompression.Andweob,ained,h eevoluionproc essof,h es,rainanddisplac emen,of ,h eeniresurfac eof,h eobserva,ionsurfac eduring,h efrac ,ureof,h espec imen aswelas,h edevelopmen, of sample c rac k and th e number of mic ro-frac ture. Th e main findings are①Wh en th e load reac h es a c ertain stage,th efirstmic ro-c rac ksappearatboth endsofth epre-existingfissures,anditssh apeissimilartoth e ellipse. Mac ro-I-type c rac kswing-type tensile c rac ks begin to .②With th e inc rease of th e load, th e mic ro-frac turegath ers,th emac rosc opic type Ic rac kssh earc rac ks beginto atth eendsofth epre- existing fissures, and c ontinue to develop with type I c rac ks until th e spec imen is destroyed.③ Th e X, Y 收稿日期收稿日期2019-07-24 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目中央高校基本科研业务费专项资金项目资助编号No. FRF-TP-18-016A3 第一作者简介第一作者简介李建旺1973 ,男，博士研究生，高级工程师，主要从事岩土工程灾害防治的科学研究,E-mail1269619449qq. c om。 引用格式引用格式李建旺基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究中国矿业，2020,299168174. doi10. 12075/j. issn 1004-4051 2020 09 002 第9期李建旺基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究 169 direc tiondisplac ementsofth eleftandrigh tsidesofth epre-existingfissuresandth eupperandlowersides are very different . Th e displac ement in th e X direc tion is positive on th e righ t side of th e two pre-existing fissures and negative on th e left side； th e displac ement in th e Y direc tion from th e fixed side lower to th e load side is from th e largest to th e smallest gradient distribution. Keywords roc k mec h anic s; digital image c orrelation； partic le flow c ode； uniaxial c ompression； c rac k propagation 随着社会经济建设的持续发展，矿业工程、水利 水电、 基 与资源开发正逐渐 向深部岩层发展。而岩 为一种重要的 2介 质，由于受长期 人类活动 ，在其内部 或表面产 的 缺陷。而岩 学特性 与其 预制 的形状、大小、几何分 因素密 相关。因此，深入开展含预制 岩石破 制 演化规律研究，对于 岩 的 设计与 ，具有重要的研究意义。 在含预制 岩 学特性研究方面，近年来 许多学者进行 的 试验研究。潘鹏。潘鹏志等「门 EPCA2D对同尺寸的 质岩石试 行单 压缩破 拟，研究 同加载 载 对岩石 宏宏观变形行为和破 的 ；杨圣圣奇等「2切通过 在 岩中预制三条预制 ，分析了岩桥倾角 对断续三预制 岩试 度的 律，探讨 单 压 续三预制 岩试 的 展 机理;刘晓丽等⑷采用混合Mohr-Coulomb剪切破 坏准则与 破坏准则，分析了单轴压 含缺陷岩石的变形特性与强度，探 缺陷的演化 律及其对岩石宏观力学强度的 ；LI等页在单 压 试 研究 预制 理岩试 的扩展及搭接。以上学者虽然对岩石中裂缝缝的扩展 机制进行了 一系列研究，但是其研究侧重于宏宏观方 面,并未对 展的细观及微微观方面进行深入探 此外，随着计算 的 ，RFPA、 PFC 序也被广泛用于含缺陷岩石宏细观力学 特 破 制的试验研究中。唐春安等「6、朱、朱万 成等7 RFPA程序开展 预制 岩体 力学特 破裂机制研究。Z HANG等「8「 颗粒 元软件PFC2D对单轴压 单预制裂 隙岩体 的扩展 行了全 拟；吴顺 「9、周、周喻等10 颗粒流理 PFC程序模 拟了预制 岩体中 、发展和贯 ，揭 岩样压 中的破 理。以上学者 颗 粒 软 软 对岩 中预制 展的微微观方面 行 研究，但因为 拟，且岩 的 非均匀性，仅 的角度还无法准确地表述裂纹 的扩展机制。 对 学者研究内容的不足，本文将通过构 预制 岩 试 ， DIC 技术 PFC2D 序，探究单轴压 试 学特性及裂纹孕 演 律，重点 预制 岩样破裂时的细观 制, 的角度对裂纹的扩展一步的研究。 1研究方法研究方法 1.1试样制备 试 水泥砂浆搅拌混合而成，其中水泥泥、河 沙和沙和水的配比采用比采用120. 6。其。其中，，水泥采用泥采用 R42. 5水泥，河沙采用粒径小于1. 5 mm的天然细 河沙。试验试样的尺寸为50 cmX 50 cmX 100 cm。 试 预制 预制 ，均垂直并贯穿试样，与加 载轴向方向的夹角为45,两预制 长10 cm,裂 中心点距离试样形心水平方向距离20 cm,垂直 距离10 cm,沿试样形心对称分布。预制裂纹的 何形态分 1a所示。 的水泥 泥 试 在室温 24 h ，然后放入恒温 19.9 1 恒湿97的养护箱内养护30 d。待试 样制作成形后，经清洗在其表面喷涂白色 ，待 其干 再随 黑色 ，以形成随 ，如 1 b 。 少45。 TTT b试样散斑图 50 m a试样几何形态 注A、B为预制的两个倾斜裂缝 图1试样形态 Fig. 1 Illustration of specimen pattern 170中国矿业 第29卷 1.2试验系统 试验系统由加载系统、观测系统及数据分析系 统构成。加载系统 YAW-6 00微 微 制［伺 岩石试 。加载方 移控制，加载速率为 0.002 mm/s。当试样残余强度为峰 度的20 时停止试验。观测系统 一盏LED灯和一套数 装置。LED灯为试 源，以配合 装置获得的图像 的灰度值。 装置 加载 中试 面 的 演 。相 的 度为1/1 000 s,拍摄频率为60张/s。 1.3 DIC技术 数字图像相关方法DIC又称数字散斑相关方 法，是一种利用物体表面随机分布的斑点来给出变 形场的 变形测量方法「山。其基 想是比 变形前后的物体图像的灰度值，识别其中的特定 子区，进而获得物体的变形 变。运用统计学比 较变形前后同一区域图像灰度值的相关系数，通过 多次计算相关系数可获取目标区域的位移场，基本 理 2 。 的学者 字字图像技术应用 岩 展研究中，但 于技术方面的限制， 其研究成果始 理想，理论与试 相符。 随着计算机技术的发展，DIC技术已被 可以很 于岩 展研究中 试 加 载 中 同时采用数字图像技术digital image correlation , DIC「1】皿，观测岩 的扩展规律，该技 术由数据分析系统实现，采用的是美国Correlated Solutions公司的Vi-2D软件，将拍摄的全部照片 导入Vi-2D软件，通过计算处理后就能得到试样破 坏过程中应变 移等相关图像数据 图2 DIC基本原理图 Fig. 2 DIC basic schematic 1. 4数值模拟 为深入 预制裂隙岩样的破裂机制，采用 PFC2D序M】5进行 拟。 按 试样尺 纟 立0. 5 mX0. 5 mX 1 m的计算模型，颗粒黏结选用 平行黏结模型。为保证拟静力加载状态， 烬轴 向加载速率设置为1.0,计算 为当试样残 余强度 峰 度的20时， 算 的扩展、试样的应力-应变曲线 拟试 线吻合 为PFC细观参数选取的准则。 次试算调 ，使模拟与试 基本一致，最终确定的颗粒体 节理 观力学参数见表1。 表1颗粒体模型细观力学参数 Table1 Me omechanicalparameter ofbondedparticlemodel 名称-单位 name-unit 最颗粒 1 minpartic le radius/mm 最 -最 颗 粒 比 max-minpartic le p radiusratio den 颗粒体度 粒间摩因 artic levolume interpartic lefric t sity/kg/m3 c oefic ient 颗粒弹 on partic leelastic modulus/MPa 数值value 0 25 1. 66 2300 16 50 名称-单位 name-unit 颗粒法向-向刚度比 平行黏结半径系数平行黏结弹性模量 平行 黏 法 向- 向 刚 度 比 partic lenormal-tangential c oefic ientofparalelparalelbond paralelbondnormal-tangential stifnessratiobond elastic modulus/MPa stifnessratio value33 1 6 5033 名称-单位 name-unit 黏结法向强度平均值黏法向度标差黏 向 度平黏 向 度 标 差 averagenormalbondstandarddeviationofnormal averagesh earbondstandarddeviationofsh ear strength/MPa bondstrength/MPastrength/MPa bondstrength/MPa value32 03. 2032 03 20 2试验与计算结果分析试验与计算结果分析 2. 1预制 对 变曲线的影响 1试验与 算对比。图3a和图3b分 为 试 获 取 的 试 - 变 线 线 ， 算 获 取 的 试 - 变 线 线 、 微 破 微 破 - 变 线线可知，试验得到的试样峰 度约为33. 5 MPa， 对应的应变约为5. 1X10-3，其峰前弹性模量约为 6 . 5 GPa计算得到的试样峰 度约为33. 7 MPa, 对应的应变约为5. 1X10-3，其峰前弹性模量约为 7 . 0 GPa。试 -应变曲线线峰前 ，在应变达 到1.4X10-3之前，形成非线性变形，应力-应变曲 线呈上凹型，此 为试样中 孔隙压 「段。 第9期李建旺基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究 171 之后直至达到峰值强度，应力-应变曲线呈近似线性 势。 。 峰值之后，应力-应变曲线伴随两次 较大的应力降，一次应力降相对剧烈（应变从5.1 X 10-3到5.4X10-3））， ，一次应力降较缓和（应变从5. 4X 10-3到8 .2X10-3 ）。）。计算应力-应变曲线峰前阶段 从加载时起便近似呈线 势， ，这 于 E 的计算 中颗粒 ，不存在颗粒接触数 少于3的颗粒。。峰值之 -应变曲线 线 势。 。 2）预制裂隙对破裂数的影响。计算中产生的 微破裂数,是由于颗粒间承受的 其黏 i 度 发 破坏产 可 分 为 张 微 破 微破裂。计算获取的微破裂总数为1 140次。。其 中，当应变 5.1X10 3 （即峰值）之前，微破 峰前微破 为136， ，约占11.9。。在峰值强 度之后，微破裂变得 活跃，峰后微破 为 1 004次，约占8 8 . 1。当应变为4. 0X10 3、应力 为27 .5 MPa时， ，试 始产生微破裂， ，即部 分点已经破碎形成微 ，但微 的范 I 度不大。随后直至峰值时刻，微破破 增加趋势。。在峰 度之后， ，微破裂产 加 活跃，伴随着 宏观 的产生。总体而言， ，计 算 获 取 的 试 - 变 线 线 特 与 试 为一致。 。 3030 5 52 2 O O 5 5 2 1 2 1 O O 5 5 4 3 4 3 i ■ aJ ......... / t .一 / / 试 i _______1________i 俭应力-应 i ________1________i 变曲八 ________1_______1 10 5 0I 应变/（Xi。」） （a）试验过程应力-应变曲线 40 35 30 5 5 O O 2 2 2 2 10 5 0 应变/（Xi。」） （b）计算过程应力-应变曲线及微破裂数 为试验过程中两条预制裂隙首先出现应力集中区域时刻；b为试验过程中预制裂隙A、B两个端部微破裂区逐渐增大时 刻；c为试验过程中两条预制裂隙之间出现应力集中区域时刻；d为试验过程中两条预制裂隙两端的应力集中区域处于不稳 展 时刻；e为试 中A预制 出 中区域时刻；f为试 时刻；a为计算 中微破 - 在预制裂隙A、B两个端部产生时刻；b为计算 中微破裂逐渐增多时刻；为计算 中预制 A 产生并扩 展裂纹时刻；d为计算过程中预制裂隙A下端与预制裂隙B上端之间的U型裂纹完全贯通时刻；e‘为计算过程中预制裂隙 A 与试 的* 完全贯通时刻f为计算 时刻） 图3加载过程应力-应变曲线 Fig. 3 Loading stress- strain curve 2.2预制裂隙对裂纹形成与分布的影响 在试样破破坏过程中产生的宏观裂纹可分为两 类一类是I （也可称为翼形张 ），其宽 度 相对纤细并沿加载方向发展；另一类是*型 （也可称为 ）），其宽度 ，并沿着 与加载方向成一 度发展。图4为试 中不 同时期的全场应变云图，图4中的云图对应埃尔-拉 格 系数，此系 比于试 的变，即数 越大， ， 变越大，其对应的 变状态已在 图3（a）标注。 1）载荷对破裂区的影响。可以发现当试验应 力-应变曲线 a点时，即应变为3.9X10-3、 为27 .0 MPa， ，发 预制 A、 、B两个端部首 出现应力集中区域，，这 中于预 制 ，，这是I 出现的 ，，此时可以 观察到微破裂区的形状为椭圆形，与预制裂隙端部 相连。 。 随着载荷继续增加，当试验应力-应变曲线达到 b点时，即应变为4.4X10 3、应力为31 0 MPa,与 态云图4（a）相比，预制裂隙A、B两个端部微破裂 逐渐增大,且预制 出 的 中 区域，这 微破 破 的范围在增大，但微 的 范 度 ，尚未成核导致宏观 。当应力 峰 度时刻c点， ，即应变为5. 1 X 10-3、、 为33.5 MPa,两条预制 之间出现应力集中区 域，此时产生的是* ，观察微破 发现初始 新 周围也会产 中区域 羽 I 于 展 。当试 峰后 的d点时，即应变为5.4X10-3、应力为17 . 5 MPa, 预制 的 中 域 于 展 172 中国矿业第29卷 阶段，预制裂隙之间的应力集中区域逐渐增大，并且 预制 的应力集中区域相连，预制预制 的应力集中区域相连，预制 之间的的* 贯通, 预, 预制 个端的的 岩桥岩桥已经贯通，观经贯通，观察微破 微破 的扩展 发的扩展 发现它逐 渐 ，并 向向最大压 方向方向靠近。当试 L 力-应变曲线 力-应变曲线 e点时，即应变为点时，即应变为6 .0X1063、应力、应力 为为15.0 MPa， ，此时已发 发 一次 的应才的应才 在上方预制 出 中区域，说明* 在 展。当展。当试 -应变曲线 线 f 点时，即应变为点时，即应变为8 . 2X10-3、应力为、应力为6 . 7 MPa,即试试 时刻，此时预预制裂隙A 的的* 一 步扩展，而预步扩展，而预制 B 亦产 产 * 并最 贯 贯 个试 在预预制 * 展展 中, 的中, 的I 中 演化。中 演化。 2 破 破 演 。图。图5为计算为计算获取的微的微破破 裂孕育演 ，，其对应的 变状态已在 图3b标注。在峰值强度之前，当试验应力-应变 线 a，点点时， ，即应变为为应变为为4. 0X1063 I、II为加载过程中产生的裂纹 第9期李建旺基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究 173 2. 3预制裂隙对位移场U,V演化的影响 1预制 对X位移场的 。图6为试验 过程中不同时期的X方向垂直载荷方向的全场 位移云图，其对应的应力应变状态已在图3a中标 注。图6 7的 单 为像素，此像素 1 为云图，根据此云图可分析特 域的变形状态，此 像素 比于位移值，像素越大即 移越大。根 像的变化，可以发现在 预制 的 〕位 移为 ，左边为负值。 在预制 ，试 面向左剥离，预制 ，试 面向右剥 ，并随着载荷的增大，全场位移绝绝对值逐渐增大 在 峰 度之前，即应变为5.1X10-3、应 边位移量达到最大的0. 268 mm,而在试验结束时， 左边位移量达到最大的0. 91 mm。 2预制 对Y位移场的影响。图7为试验 过程中不同时期的Y方向平行载荷方向的全场 位移云图，其对应的应力应变状态已在图3a中标 注。根 像的变化，可以发现每条预制 方 的位移量比上方的位移 ，且位移 固 下 端向加载 度分布。在应变为6 .0 X 10 3、 为15. 0 MPa之前，随载荷的增大，全 场位移值逐渐增大，直接反映出试 面 后沿 平行载荷方向压缩。 变为8 . 2X10-3 -方向位移量 自固定端下端向加载端呈由大到小呈梯度分布。 4将数字图像技术与常规加载试验相结合，能 有效反映试样内部裂纹的产生以及扩展规律，并结 合PFC模拟分析比较，验证了该试验方法的准确性。 综上所述,本文针对特定方向的预制裂隙对岩 石试件裂纹扩展的细观机理做了相关的研究，弥补 了现有研究中定量表述裂纹扩展方面内容的缺失， 但是因实际情况复杂多变，其裂缝也是纵横交错，无 法和实验室中如此规整的裂缝相提并论，后续还需 研究多方向、多尺寸的裂缝在荷载作用下其裂纹扩 展的细观机理。 ■ 参考文献参考文献 1潘鹏志，周辉，冯夏庭.加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破 裂过程的影响研究岩石力学与工程学报，2008,27S2; 3636-3642 PAN Pengzh i，ZHOU Hui，FENG Xiating Researc h onefec t ofloadingc onditionsonfailureproc essesofroc kswith difer- ent sizes under uniaxial c ompression J. 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