不同断裂模式下低温对砂岩断裂韧度的影响研究.docx

? ? 不同断裂模式下低温对砂岩断裂韧度的影响研究 ? ? 李 勇，张 昊，刘延保，胡双杰，桂辉高 (1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039) 岩石力学性质是工程设计和安全评价的重要依据。国家发布新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见后，西部寒区矿产逐渐成为国内矿产开发的关注点[1]。寒区露天矿开采、地面建设、铁路隧道冻害防治等工程，以及矿井凿井工程中冻结凿井施工技术的推广[2-4]均需考虑低温、超低温环境对岩石力学性质的影响。众多工程实践表明，低温对岩石的力学性质，尤其对岩石的断裂和破坏行为具有显著的影响。因此，低温条件下岩石断裂力学特性及强度等问题已成为学术界的研究热点。 目前国内外学者对高温条件下岩石断裂特性的研究成果十分丰富。Kim K等[5]研究发现温度的变化使岩石内部产生了热应力和裂缝；Tran D等[6]研究认为当岩石应力强度因子大于等于断裂韧度时，热应力将在断裂尖端形成应力集中，裂纹会失稳扩展。然而对低温条件下岩石的断裂力学特性研究较少，且以研究含裂隙岩体的冻结冻融损伤、冻胀力扩展[7-11]，以及液氮等低温液体营造的超低温环境对岩体造成的损伤、破裂为主[12-15]。刘泉声等[16]通过对比归纳现有文献，认为国内对裂隙岩体冻融损伤的研究主要涉及3个方面：不含水裂隙岩体的冻融循环和力学强度试验研究；不含水和含水裂隙的冻胀扩展数值模拟研究[15-18]；不含水和含水裂隙岩体的冻融损伤模型研究[19-21]。而国外关于裂隙中的冻胀力与裂隙岩体的冻胀扩容研究相对较多，但也主要集中在理论探索上[22]。基于低温断裂力学理论判据及断裂力学参数的研究较少，而且主要是研究冻融循环对岩石断裂力学性质的影响，如ABDOLGHANIZADEH K等[23]研究了冻融循环次数和冻结温度对Lushan砂岩纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂韧度的影响。 鉴于现有研究成果的不足，笔者着重研究不同低温条件对干燥砂岩纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂模式下的断裂韧度，以及工程中更常见的Ⅰ+Ⅱ复合型断裂模式下的等效断裂韧度的影响，以期找到其影响规律，进而指导工程实践。 1 断裂韧度计算过程 1.1 计算模型 获取岩石材料断裂韧度的试验方法主要有圆梁、短棒、四点弯曲、巴西圆盘、裂纹人字形切槽巴西圆盘和半圆盘三点弯曲(SCB)等试验法[24-28]。SCB方法因能够测试纯Ⅰ型、Ⅰ+Ⅱ混合型和纯Ⅱ型断裂韧度而被众多学者接受。国际岩石力学学会(ISRM)也发布了用SCB法测定岩石纯Ⅰ型断裂韧度的推荐标准[29]。半圆盘三点弯曲试件几何参数及不同断裂模式如图1所示。 R—半圆盘三点弯曲试件的半径；α—通过试件几何中心的预制裂纹长度；β—裂纹与试件几何对称中心线的夹角，裂纹角度；2S—试件底部对称支撑点之间的跨距；p—沿试件中心施加的压力载荷。图1 半圆盘三点弯曲试件几何参数及不同断裂模式 1.2 计算方法 断裂韧度作为最广泛使用的断裂表征参数，是判断不稳定断裂是否发生的首选标准[28]。采用SCB方法计算岩石断裂韧度，研究发现：如果满足某些最小试样尺寸标准，该方法对岩石材料有效[30-31]。当压力载荷p等于临界值pcr时，由式(1)和式(2)计算的应力强度因子KⅠ和KⅡ，即为纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂韧度KⅠC和KⅡC,即KⅠ=KⅠC、KⅡ=KⅡC。 (1) (2) 式中：YⅠ和YⅡ分别为纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂模式下的归一化应力强度因子；α/R为试件的裂纹长径比；B为半圆盘三点弯曲试件的厚度；S/R为跨径比。 通过改变试件预制裂纹角度β，可以测得不同模式下的断裂韧度。设置预制裂纹长径比α/R=0.35，跨径比S/R=0.5，该几何参数下不同断裂模式的归一化应力强度因子[32]如表1所示。 表1 不同断裂模式下的几何参数 (3) 式中KⅠm和KⅡm分别为按纯Ⅰ型、纯Ⅱ型断裂模式下的应力强度因子公式计算的复合模式下的临界应力强度因子。 2 试件制备及试验方法 2.1 试件制备 试验岩样为工程现场采出的新鲜完整重庆白砂岩，其颗粒均匀，无明显层理裂隙，为均匀各向同性材料。通过钻取岩心、磨平端面等工序，加工成直径2R=50 mm、厚度B=25 mm试件，并按照长径比α/R=0.35及裂纹断裂模式，加工预制裂纹长度α=8.75 mm、裂纹角度β分别为0°、30°、54°的半圆盘弯曲试件共计36个。按照温度分为6个试验组(20、0、-20、-40、-60、-80 ℃)，每个试验组有6个试件。 2.2 干燥处理 为尽可能排除岩石中的结合水、重力水，以及附着在岩石试件表面的水蒸气对试验的影响，保证砂岩试件在进行低温处理前处于干燥状态，需要对砂岩试件进行烘干处理。称量试件