摘要：工程结构的失稳破坏通常是由于岩石内部裂隙扩展、贯通进而产生宏观断裂所导致。因此，研究含有预制裂缝的岩石试样在受载期间其变形破裂演化过程更具有现实意义。笔者采用直裂纹三点弯曲半圆盘试样进行三点弯曲断裂试验，并采用数字散斑相关方法对试样受载过程中的位移场、应变场进行分析，确定了NSCB试样的裂纹扩展速度。
关键词：三点弯曲试验；半圆盘试件；预制裂缝；位移场；应变场
引言
为了获得岩石试样加载过程中试样表面及裂尖附近的全场变形信息，对含有预制裂缝的石灰岩半圆盘试样进行了准静态条件下的三点弯曲试验，采用数字散斑技术对试样受载破裂过程中的位移场、应变场进行了监测。相对于传统应变片法，数字图像法更容易得到裂纹的扩展速度，获得更多的全场应变信息，在监测岩石断裂过程和其变形信息时具有更多优势。
1三点弯曲试验原理及方法
1.1试验原理
数字散斑法是在20世纪80年代提出，后续有学者做了一系列的研究和改进工作，并成功地应用到了木材、金属、航空材料、复合材料、岩石等材料的力学性质测试以及和断裂相关的地质力学模型试验中。该方法通过采集物体表面变形前后的2幅图像，根据其表面随机分布的散斑点（人工喷漆或材料自然纹理）在变形前后的概率统计相关性来确定物体表面的位移场，实现对物体位移场的测量，通过进一步计算进而得到应变场。
1.2试验方法
试验采用NSCB试样，试样材料选用来自河南焦作的石灰岩石材，其主要成分是方解石，硬度较低，天然微裂隙少，结构致密，质地均匀，矿物颗粒细小。岩石材料密度为2．785g/cm³，杨氏模量为63．94GPa，泊松比0．266，纵波波速为5674m³/s，抗压强度为169．35MPa，抗拉强度为25．2MPa。试样加工时，首先将石灰岩石材加工成直径150mm的岩心，再将岩心切割成厚度为30mm巴西圆盘，利用磨石机对圆盘上下端面进行打磨，采用刀片将圆盘切割成2个半圆盘试样。为了减少圆盘在切割成半圆盘的过程中损失量，选用厚度较薄的刀片进行切割。刀片直径为200mm，厚度为0．3mm。切割成半圆盘后，对半圆盘的矩形切口端面进行打磨，使其矩形端面垂直于圆盘前后2个端面。最后采用金刚丝和一系列不同厚度的刀片加工成含有不同预制裂缝宽度和长度的NSCB试样。石灰岩自然纹理并不清晰，为了增加散斑的对比度，采用人工制作散斑的方法来进行制样。考虑到散斑点的大小会影响试验结果的精度，在制作散斑前对散斑点大小进行了估计。最终采用的散斑点大小在最大长度方向为8pix，实际尺寸为1．17mm。散斑制作过程为：通过在试样喷上一层白色的哑光漆，待漆晾干后，用制作散斑的模具制作一系列随机的散斑点.
1.3试验加载采集系统
①采集NSCB试样裂纹扩展过程时，采用高速相机对试验过程中试样的散斑图像进行采集，拍摄帧率为50000F/s，图像分辨率为1024pix×1024pix；②采集NSCB试样受载位移、应变场演化时，通过对整个加载过程时间的估计，将拍摄帧率降为125F/s，以便对整个加载过程进行采集。
2三点弯曲试验结果分析
2.1分析区域的选择
为了使分析结果更加可靠，能够得到试样在受载情况下，韧带区域（即从预制裂缝前端到加载端区域）的变形信息，分析区域尽可能地覆盖韧带区域。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆同时要保证有足够宽，因此确定分析区域竖直方向长度为韧带长度的12/13，分析区域水平长度为竖直方向长度的7/6，试样受载开始阶段，随着加载的进行，试样所受的载荷呈现出非线性变化，即此阶段试样内部含有的微裂纹被逐渐压密。随后载荷随着时间的增加呈现出线性变化，即此阶段岩样的变形可近似认为处于线弹性阶段。当载荷达到峰值后，迅速跌落表现出明显的脆性破坏。
2.2位移场和应变场的演化
试验关注NSCB试样预制裂缝前端韧带区域的水平和竖直位移场。关注与预制裂缝面垂直方向上的应变，即水平应变场。无论水平位移场还是竖直位移场分布几乎无规律可循，位移等值线分布较为随机；当岩石试样处于线弹性变形阶段，其对应的水平位移场呈现出“层状”分布，并且沿着预制裂缝延长线方向呈现对称分布，位移等值线变化为0．0669～0．1037mm。根据VIC－2D软件坐标系规定，水平位移场中正值表示位移方向水平向右。
2.3预制裂缝长度对位移场的影响
根据峰值载荷时预制裂缝长度对水平和竖直位移场的影响，NSCB试样韧带区域水平位移场变形范围越大，各部分区域之间的变形梯度也较大，说明预制裂缝长度越短，NSCB试样裂缝扩展越充分，变形越大；当预制裂缝长度较长时，裂纹扩展时间短，试样破裂速度快，试样韧带区域变形小。竖直位移场的变形也随着预制裂缝长度的增加而减小，与水平位移场具有良好的一致性。
2.4基于虚拟应变片测量的裂纹扩展速度
采用VIC－2D软件中虚拟应变片来测岩石试样表面应变的方法是可行的，测量结果与直接在岩石试样上粘贴应变片所测到的信息基本吻合。因此，可以在岩石试样预制裂缝的前端布置几个虚拟应变片来测得该处的应变信息，然后通过对应变－时间曲线求导来确定裂纹的起裂、扩展信息。为了捕获裂纹扩展过程，将高速相机的拍摄帧率调整为50000F/s，触发方式采用后触发，即高速相机只记录触发之前的照片，当试样的载荷达到峰值时，触发高速相机记录照片。在试样的韧带区域均匀地布置10个虚拟应变片以反映不同位置的应变信息，通过应变对时间导数的最大值对应时刻确定出裂纹扩展到此处的时间，再结合不同应变片之间的实际距离，可以得到裂纹的扩展速度。
结语
试样受载后，其表面上的水平和竖直位移场呈现出“层”状分布，在载荷将要达到峰值时的水平位移场等值线逐渐交汇于预制裂缝前端一点，竖直位移场沿预制裂缝前端的延长线上向下变形最大；预制裂缝长度越长，达到峰值载荷时的水平位移场的交汇线越不明显，而预制裂缝长度对竖直位移场分布几乎不产生影响。对于水平应变场来说，随着载荷的增加，水平应变场逐渐在韧带区域呈现分层分布，当达到峰值载荷时，预制裂缝前端与加载端之间的连线处应变场呈现“山”字形分布，并且此处应变场的变化最为剧烈；试样韧带区域从加载端到预制裂缝尖端水平应变由压应变逐渐变为拉应变，而韧带区域水平不同位置变化时应变分布左右对称，预制裂缝长度越长，载荷作用下韧带区域的水平应变就越大。
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论文作者:罗绪远
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：试样论文; 应变论文; 位移论文; 裂缝论文; 裂纹论文; 岩石论文; 韧带论文; 《基层建设》2019年第16期论文;