巖石加載全程的變形演化實驗研究

1關于巖石破壞過程中變形場特征的研究巖石是許多與人類生產和生活密切相關的大型工程的最重要材料，如采礦、蓄水、邊墻、隧道和地下空間。這些工程中的許多災害問題最后都可歸結為巖石的變形破壞問題。研究巖石的破壞問題,不但具有重要的工程實際意義,而且其本身的科學意義也是重大而深遠的。在多數情況下,巖石破壞是由變形局部化的發(fā)展所觸發(fā)的[5～8]。因此,從變形局部化的角度對巖石破壞過程進行研究已經成為目前巖石力學研究的一個熱點問題。在實驗研究中,鄭捷等采用光彈貼片方法;Y.Berthaud等采用了激光散斑分別觀測了巖石的變形局部化和破壞過程;潘一山等[12～15]采用白光數字散斑相關方法(DSCM)對煤、花崗巖、砂巖及土的變形局部化過程進行了研究,定量分析了變形局部化過程中的變形場演化特征。雖然上述研究取得了許多有意義的結果,但還有一些重要的關鍵問題需要重新認識,或進一步探討:一是變形局部化與巖石力學性質的關系,這一問題直接關系到今后對巖石破壞過程的理論建模。研究需要在實驗中全程連續(xù)觀測巖石試件的變形破壞過程,并將變形場觀測結果與加載系統(tǒng)等進行細致的比對,才能較準確地確定巖石變形破壞的具體階段特征。以前研究中僅采集加載過程中少數幾個時間點的變形場方法,或者即使記錄了整個變形場演化過程,但僅對其進行簡單定性分析,不可能有效獲得變形局部化的演化與加載力學性質的關系。二是變形局部化的演化與破壞的關系。巖石破壞是一個快速動態(tài)過程,如果采用光測方法,必須配合高速相機才有可能完整記錄整個破壞的瞬態(tài)演化過程,關于這方面的研究還鮮見報道。因此,本文的目的是通過自行設計的實驗系統(tǒng)對巖石破壞中的上述問題開展實驗研究工作。本文分別進行了巖石加載全程的變形演化實驗和巖石破壞瞬態(tài)過程變形演化實驗研究。巖石加載全程的變形演化實驗研究中采用CCD相機記錄巖石加載全程的試件表面散斑圖像,巖石破壞瞬態(tài)過程變形演化實驗研究中采用高速相機記錄巖石破壞瞬態(tài)過程的試件表面散斑圖像。根據DSCM得到試件的變形場,并對巖石變形破壞演化進行分析。2測試系統(tǒng)組成DSCM又稱為數字圖像相關(digitalimagecorrelation,DIC),其基本原理是匹配物體表面不同狀態(tài)下的數字化散斑圖像上的幾何點,跟蹤點的運動獲得物體表面變形信息。DSCM目前在巖石力學實驗研究中已經得到廣泛應用[12～15]。本文采用自行設計的DSCM觀測系統(tǒng)對巖石破壞動態(tài)過程進行實驗研究,DSCM的測試和數據分析由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)由CCD相機、高速相機、高速相機觸發(fā)裝置、圖像采集卡、監(jiān)視器、計算機以及A/D卡組成。CCD相機負責拍攝巖石加載全程的試件表面圖像;高速相機負責捕捉巖石加載瞬態(tài)過程的試件表面圖像,圖像傳輸到圖像卡進行數字化后存貯到計算機中以備處理;監(jiān)視器實時顯示實驗過程中的圖像;計算機是整個系統(tǒng)的控制中心,由其發(fā)出指令協(xié)調各部分工作,保存和處理圖像并輸出最后結果。高速相機觸發(fā)裝置用于對高速相機發(fā)出圖像采集指令。實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。軟件系統(tǒng)用來對試驗中采集到的散斑圖像進行處理獲得所需的變形場信息,包括位移場、應變場以及相關系數分布場等。實驗方法可簡述如下:巖石試件加工成方柱形,試件表面用噴漆制作人工散斑場。加載裝置選用MTS810伺服試驗機。位移控制加載過程,白光光源照射試件表面,用相機拍攝試件表面圖像。調整相機方位,使相機靶面與試件表面近似平行,調整焦距,使圖像清晰,并使試件幾乎占據整個靶面。采用計算機圖像采集系統(tǒng)記錄試件表面的變形散斑圖像。實驗同時采集應力–應變曲線,由于圖像和應力–應變曲線是采用不同采集系統(tǒng),所以需要提前對時,使得兩個系統(tǒng)的絕對時間保持一致。實驗完成后,對散斑圖像進行相關運算,分析單軸壓縮過程中巖石試件的位移場和應變場。3巖石加載全過程的變形發(fā)育實驗3.1人工散斑場制作和試驗測量選取一種白色大理巖作為單軸壓縮試件,試件的斷面為20mm×20mm,高為40mm,試件表面用噴漆制作人工散斑場,試件的彈性模量為137.2GPa,泊松比為0.26。位移控制加載過程,加載速率為0.02mm/min。用BaslerA641fCCD相機(分辨率為1624像素×1236像素)拍攝試件表面圖像。圖像數據采集速度為15幀/s。3.2最大剪切應變場a在試件加載整個過程中,圖像系統(tǒng)共采集1525張散斑圖像。選取加載全程中5個典型時刻進行標識,試件單軸加載全程應力–應變曲線見圖2。標識點1位于試件加載的線彈性階段(見圖3(a)),此時試件的變形場(最大剪切應變場,以下同)比較均勻;標識點2位于試件加載的塑性硬化階段(見圖3(b)),此時變形場呈現出分區(qū)的不均勻性,但變形較小;標識點P位于試件加載的峰值點,其對應的變形場見圖3(c),圖中可見一明顯的“X”型變形集中條帶;載荷達到峰值強度后,隨著位移增加,載荷下降,標識點3位于試件加載的塑性軟化階段(見圖3(d)),變形集中帶內的變形量值增大;在標識點F對應試件破壞前采集的最后一幀散斑圖像(見圖3(e)),變形集中帶的變形更加明顯,表明峰值后試件變形主要是沿局部化帶的剪切滑動。3.3擠壓和錯動之間的運動關系根據試件最終破壞的模式以及破壞前的變形場,確定出局部化帶的位置,如圖3(f)所示。在4個分析區(qū)域兩側分別選取對稱點,將對稱點的位移分量向局部化帶的切線和法線方向上投影,得到局部化帶的錯動分量和擠壓分量,規(guī)定沿局部化帶順時針的錯動為正,垂直于局部化帶的擠壓為正;對加載過程進行分析,試件表面變形集中區(qū)域的位移演化如圖4所示。由圖4可知,在線彈性階段,區(qū)域1,2出現了程度相近的擠壓,同時伴有程度接近但方向對稱的錯動,并且擠壓和錯動都保持線性演化,這與試件加載線彈性變形模式一致。區(qū)域3,4的擠壓和錯動量值與區(qū)域1,2有所差別,但活動形式類似,這主要是由于加載主動端與被動端差異的影響。在塑性硬化階段(見圖4(a)),區(qū)域3的擠壓曲線從塑性硬化階段就出現明顯的跳躍,并由初始的壓縮過程轉向拉伸變形,這歸因于該區(qū)域由于微裂紋的形成、擴展、交匯貫通及微裂紋間的剪切滑動引起的擴容,此時微破裂的發(fā)生主要集中在區(qū)域3。微破裂發(fā)生引起了區(qū)域3產生了較大的應力集中,這也是造成整個試件的承載能力降低的主要原因,由于微破裂的進一步發(fā)展和演化還需要不斷的從外界吸收能量,因此,此時的局部破壞沒有對整體承載力造成嚴重影響。同時受到巖石試件內部的應力場重新分布影響,各個區(qū)域的活動曲線表現出不同程度的“非線性化”;在加載曲線峰值時,4個分析區(qū)域的錯動和擠壓同時發(fā)生了突變,造成了整體的承載能力降低,表明了巖石的“結構控制”變形的開始。上述實驗結果雖然可以得到巖石變形破壞過程的階段特征,但由于巖石變形局部化從形成到結束所經歷的時間非常短,無法得到變形局部化演化過程的詳細信息。為了能夠對變形局部化演化進行更加深入的探討,下面利用高速圖像數據采集系統(tǒng),對巖石破壞瞬態(tài)變形演化進行實驗研究。4巖石破壞的瞬態(tài)變形和進化實驗4.1表面散斑的測定選取與節(jié)3相同的大理巖作為試件,試件的斷面為50mm×25mm,高為100mm。位移控制加載過程,加載速率為1μm/s。采用PhotronFastcamSA1.1高速相機(分辨率為1024像素×1024像素)拍攝試件表面散斑圖像。圖像數據采集速度為5400幀/s。在該實驗中高速相機采用聲音前觸發(fā)模式,將高速相機與聲音傳感器相連,通過巖石破壞發(fā)出的高分貝的聲音作為觸發(fā)的啟動條件。4.2試件變形集中區(qū)域分析選取試件加載的7個時刻進行標識,并將分析數據點的信息列于表1中。為了更詳細直觀地表現出巖石變形局部化的階段性特征,采用了如下的分析方法進行分析,即選擇加載前沒有發(fā)生變形的散斑圖像為參考幀,進行了變形場的整體演化特征分析;選擇標識點1對應時刻的散斑圖像為參考幀,通過標識點1～P的階段變形場分析來觀測塑性硬化到峰值這一階段變形場演化特征;選擇標識點P對應時刻的散斑圖像為參考幀,通過標識點P～F的變形場分析來觀測峰值到破壞這一階段變形場演化特征。首先,選擇加載前沒有發(fā)生變形的散斑圖像為參考幀,進行變形場的整體演化特征分析。巖石變形局部化整體演化見圖5。標識點1對應著試件加載的塑性硬化階段,由圖5(a)可知,試件已經出現了明顯的變形集中區(qū),變形集中區(qū)域1貫通試件,集中區(qū)域與水平方向的夾角約為59.3°,在變形集中區(qū)域1內還有一條變形更大的條帶,此處稱為變形集中區(qū)域2。標識點P對應著試件加載的峰值點,其變形場如圖5(b)所示,與圖5(a)對比分析可知,變形集中區(qū)域1的變化不明顯,而變形集中區(qū)域2的長度有所增大。標識點F對應著試件加載的全程應力–應變曲線峰后破壞點,其變形場如圖5(c)所示,此時變形集中區(qū)域1變化不明顯,而變形集中區(qū)域2的長度和寬度都有明顯的增大,長度增加值約4.4mm,寬度增加平均值約1.1mm。通過數據分析結果可以得出:變形集中區(qū)域內變形最大值與最小值之比為2.2∶1.0,變形集中區(qū)域內應變最大值為0.0166,帶內最大值與帶外相差19.5倍。其次,選擇標識點1對應時刻的散斑圖像為參考幀,觀測試件塑性硬化到峰值這一階段變形場演化特征。初始變形主要集中在圖6(a)所示的區(qū)域1內。隨著載荷增加,除了區(qū)域1的變形量增大和變形范圍有所擴大外,試件中又出現了一個獨立于區(qū)域1的變形集中區(qū)域,如圖6(b)中的區(qū)域2所示,表明不同點處的微裂紋的聚集和擴展,圖6(c)為試件加載峰值對應的變形場,對比變形場的分析結果可見,圖6(b)中2個獨立的變形集中區(qū)域發(fā)生交匯、連接,形成了一個更大的集中帶。最后,選擇標識點P對應時刻的散斑圖像為參考幀,觀測峰值到破壞這一階段變形場演化特征。當載荷超過峰值強度后,試件的變形主要集中于圖6(a)所示區(qū)域內。與圖7(a)變形場相比,圖7(b),(c)對應的變形集中區(qū)域范圍沒有明顯改變,其主要特點是在集中區(qū)域內的變形量增大。通過高速相機采集到的試件表面的裂紋擴展如圖8所示,其中每幅圖像的時間間隔為185μs。與位移場分析結果一致,試件表面宏觀裂紋最先形成于試件左下角,試件表面裂紋擴展的平均速度約為198m/s。根據上述變形場分析結果可將實驗中的變形局部化演化過程描述為:從塑性硬化到峰值階段,變形場演化主要體現為變形集中區(qū)域的形成及交匯、連接,而在峰值到破壞發(fā)生階段,變形場演化主要體現在某一區(qū)域的變形集中,當剪切滑動量達到一定值時,試件表面宏觀裂紋形成,變形局部化過程結束,巖石試件破壞進入了裂紋擴展階段。5巖相環(huán)境變形場演化(1)通過巖石單軸壓縮實驗,分別采用CCD相機和高速相機對巖石變形破壞全過程和巖石破壞瞬態(tài)過程的散斑圖像進行采集,利用數字散斑相關方法對實驗過程的散斑圖像進行分析,計算得出了巖石變形破壞全過程和巖石破壞瞬態(tài)過程的變形場演化。(2)在巖石變形破壞全過程的實驗研究中,通過