李建旺

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，礦業(yè)工程、水利水電、土木工程等基礎(chǔ)工程建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)正逐漸向深部巖層發(fā)展。而巖石作為一種重要的工程介質(zhì)，由于受長(zhǎng)期風(fēng)化作用及人類(lèi)活動(dòng)影響，在其內(nèi)部或表面產(chǎn)生了大量的裂紋和缺陷。而巖石力學(xué)特性與其內(nèi)部預(yù)制裂隙的形狀、大小、幾何分布等因素密切相關(guān)。因此，深入開(kāi)展含預(yù)制裂隙巖石破裂機(jī)制以及裂紋演化規(guī)律研究，對(duì)于地下巖石開(kāi)挖工程的設(shè)計(jì)與施工，具有重要的研究意義。

在含預(yù)制裂隙巖石力學(xué)特性研究方面，近年來(lái)許多學(xué)者進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究。潘鵬志等[1]采用EPCA2D對(duì)不同尺寸的非均質(zhì)巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮破裂過(guò)程模擬，研究了不同加載條件對(duì)巖石宏觀變形行為和破裂模式的影響；楊圣奇等[2-3]通過(guò)在真實(shí)砂巖中預(yù)制三條預(yù)制裂隙，分析了巖橋傾角對(duì)斷續(xù)三預(yù)制裂隙砂巖試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律，探討了單軸壓縮下斷續(xù)三預(yù)制裂隙砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展機(jī)理；劉曉麗等[4]采用混合Mohr-Coulomb剪切破壞準(zhǔn)則與拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，分析了單軸壓縮條件下含缺陷巖石的變形特性與強(qiáng)度，探討了缺陷的演化規(guī)律及其對(duì)巖石宏觀力學(xué)強(qiáng)度的影響；LI等[5]在單軸壓縮試驗(yàn)條件下研究了預(yù)制裂隙大理巖試件裂紋的擴(kuò)展及搭接。以上學(xué)者雖然對(duì)巖石中裂縫的擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行了一系列研究，但是其研究側(cè)重于宏觀方面，并未對(duì)裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀及微觀方面進(jìn)行深入探討。此外，隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提高，RFPA、PFC等程序也被廣泛用于含缺陷巖石宏細(xì)觀力學(xué)特性及破裂機(jī)制的試驗(yàn)研究中。唐春安等[6]、朱萬(wàn)成等[7]采用RFPA程序開(kāi)展了各類(lèi)預(yù)制裂隙巖體力學(xué)特性及破裂機(jī)制研究。ZHANG等[8]采用顆粒流離散元軟件PFC2D對(duì)單軸壓縮條件下含單預(yù)制裂隙巖體裂紋的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了全真數(shù)值模擬；吳順川等[9]、周喻等[10]采用顆粒流理論及PFC程序模擬了預(yù)制裂隙巖體中裂紋孕育、發(fā)展和貫通過(guò)程，揭示了巖樣壓縮過(guò)程中的破裂機(jī)理。以上學(xué)者通過(guò)顆粒流等軟件對(duì)巖石中預(yù)制裂隙擴(kuò)展的微觀方面進(jìn)行了研究，但因?yàn)槭菙?shù)值模擬，且?guī)r石材料具有明顯的非均勻性，僅從定性的角度還無(wú)法準(zhǔn)確地表述裂紋

的擴(kuò)展機(jī)制。

針對(duì)以上學(xué)者研究?jī)?nèi)容的不足，本文將通過(guò)構(gòu)建含預(yù)制裂隙類(lèi)巖石試樣，采用DIC技術(shù)及PFC2D程序，探究單軸壓縮條件下試樣力學(xué)特性及裂紋孕育演化規(guī)律，重點(diǎn)揭示含預(yù)制裂隙巖樣破裂時(shí)的細(xì)觀機(jī)制，從定量的角度對(duì)裂紋的擴(kuò)展作進(jìn)一步的研究。

1 研究方法

1.1 試樣制備

試樣采用水泥砂漿攪拌混合而成，其中水泥、河沙和水的配比采用1∶2∶0.6。其中，水泥采用R42.5水泥，河沙采用粒徑小于1.5 mm的天然細(xì)河沙。試驗(yàn)試樣的尺寸為50 cm×50 cm×100 cm。試樣內(nèi)預(yù)制兩條預(yù)制裂隙，均垂直并貫穿試樣，與加載軸向方向的夾角為45°，兩預(yù)制裂紋長(zhǎng)10 cm，裂紋中心點(diǎn)距離試樣形心水平方向距離20 cm，垂直距離10 cm，沿試樣形心對(duì)稱(chēng)分布。預(yù)制裂紋的幾何形態(tài)分布如圖1(a)所示。澆筑后的水泥砂漿試樣在室溫條件下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，然后放入恒溫(19.9 ℃)恒濕(97%)的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)30 d。待試樣制作成形后， 經(jīng)清洗在其表面噴涂白色涂料， 待其干透后再隨機(jī)涂灑黑色涂料，以形成隨機(jī)散斑，如圖1(b)所示。

圖1 試樣形態(tài)Fig.1 Illustration of specimen pattern

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、觀測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成。加載系統(tǒng)采用YAW-600微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)。 加載方式采用位移控制，加載速率為0.002 mm/s。 當(dāng)試樣殘余強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的20%時(shí)停止試驗(yàn)。觀測(cè)系統(tǒng)包含一盞LED燈和一套數(shù)碼拍攝裝置。LED燈為試驗(yàn)提供穩(wěn)定光源，以配合拍攝裝置獲得的圖像具有穩(wěn)定的灰度值。拍攝裝置拍攝加載過(guò)程中試樣表面裂紋的孕育演化過(guò)程。相機(jī)的快門(mén)速度為1/1 000 s，拍攝頻率為60 張/s。

1.3 DIC技術(shù)

數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)又稱(chēng)數(shù)字散斑相關(guān)方法，是一種利用物體表面隨機(jī)分布的斑點(diǎn)來(lái)給出變形場(chǎng)的非接觸變形測(cè)量方法[11]。其基本思想是比較變形前后的物體圖像的灰度值，識(shí)別其中的特定子區(qū)，進(jìn)而獲得物體的變形和應(yīng)變。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)比較變形前后同一區(qū)域圖像灰度值的相關(guān)系數(shù)，通過(guò)多次計(jì)算相關(guān)系數(shù)可獲取目標(biāo)區(qū)域的位移場(chǎng)，基本原理如圖2所示。以往的學(xué)者將數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用到巖石裂紋擴(kuò)展研究中，但是由于技術(shù)方面的限制，其研究成果始終不理想，理論與試驗(yàn)結(jié)果不相符。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DIC技術(shù)已被證實(shí)可以很好地應(yīng)用于巖石裂紋擴(kuò)展研究中。試驗(yàn)加載過(guò)程中同時(shí)采用數(shù)字圖像技術(shù)(digital image correlation method，DIC)[11-13]，觀測(cè)巖樣裂紋的擴(kuò)展規(guī)律， 該技

術(shù)由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用的是美國(guó)Correlated Solutions公司的Vic-2D軟件，將拍攝的全部照片導(dǎo)入Vic-2D軟件，通過(guò)計(jì)算處理后就能得到試樣破壞過(guò)程中應(yīng)變和位移等相關(guān)圖像數(shù)據(jù)。

圖2 DIC基本原理圖Fig.2 DIC basic schematic

1.4 數(shù)值模擬

為深入揭示含預(yù)制裂隙巖樣的破裂機(jī)制，采用PFC2D程序[14-15]進(jìn)行模擬。本文按實(shí)際試樣尺寸建立0.5 m×0.5 m×1 m的計(jì)算模型，顆粒黏結(jié)選用平行黏結(jié)模型。為保證擬靜力加載狀態(tài)，本文將軸向加載速率設(shè)置為1.0，計(jì)算終止條件為：當(dāng)試樣殘余強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度的20%時(shí)，停止計(jì)算。以裂紋的擴(kuò)展、試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和模擬試驗(yàn)曲線吻合作為PFC細(xì)觀參數(shù)選取的準(zhǔn)則。通過(guò)多次試算調(diào)整，使模擬與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，最終確定的顆粒體模型及光滑節(jié)理模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 顆粒體模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Meso mechanical parameters of bonded particle model

2 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果分析

2.1 預(yù)制裂隙對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

1) 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比。圖3(a)和圖3(b)分別為試驗(yàn)獲取的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及計(jì)算獲取的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線、微破裂數(shù)。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，試驗(yàn)得到的試樣峰值強(qiáng)度約為33.5 MPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為5.1×10-3，其峰前彈性模量約為6.5 GPa；計(jì)算得到的試樣峰值強(qiáng)度約為33.7 MPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為5.1×10-3，其峰前彈性模量約為7.0 GPa。試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段，在應(yīng)變達(dá)到1.4×10-3之前，形成非線性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型，此階段為試樣中原有孔隙壓密階段。之后直至達(dá)到峰值強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈近似線性上升趨勢(shì)。達(dá)到峰值之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線伴隨兩次較大的應(yīng)力降，一次應(yīng)力降相對(duì)劇烈(應(yīng)變從5.1×10-3到5.4×10-3)，一次應(yīng)力降較緩和(應(yīng)變從5.4×10-3到8.2×10-3)。計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段從加載時(shí)起便近似呈線性上升趨勢(shì)，這是由于構(gòu)建的計(jì)算模型中顆粒均緊密接觸，不存在顆粒接觸數(shù)少于3的顆粒。峰值之后應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈近似線性下降趨勢(shì)。

2) 預(yù)制裂隙對(duì)破裂數(shù)的影響。計(jì)算中產(chǎn)生的微破裂數(shù)，是由于顆粒間承受的應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度而發(fā)生破壞產(chǎn)生，可分為張拉型微破裂和剪切型微破裂。計(jì)算獲取的微破裂總數(shù)為1 140次。其中，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到5.1×10-3(即峰值)之前，微破裂較少，峰前微破裂總數(shù)為136，約占11.9%。在峰值強(qiáng)度之后，微破裂變得非常活躍，峰后微破裂總數(shù)為1 004次，約占88.1%。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.0×10-3、應(yīng)力為27.5 MPa時(shí)，試樣內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生微破裂，即部分點(diǎn)已經(jīng)破碎形成微小裂紋，但微裂紋的范圍及密度不大。隨后直至峰值時(shí)刻，微破裂頻數(shù)呈迅速增加趨勢(shì)。在峰值強(qiáng)度之后，微破裂產(chǎn)生更加活躍，伴隨著剪切宏觀裂紋的產(chǎn)生?？傮w而言，計(jì)算獲取的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

(a為試驗(yàn)過(guò)程中兩條預(yù)制裂隙首先出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)刻；b為試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部微破裂區(qū)逐漸增大時(shí)刻；c為試驗(yàn)過(guò)程中兩條預(yù)制裂隙之間出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)刻；d為試驗(yàn)過(guò)程中兩條預(yù)制裂隙兩端的應(yīng)力集中區(qū)域處于不穩(wěn)定擴(kuò)展階段時(shí)刻；e為試驗(yàn)過(guò)程中A預(yù)制裂隙上端出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)刻；f為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻；a’為計(jì)算過(guò)程中微破裂首先在預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部產(chǎn)生時(shí)刻；b’為計(jì)算過(guò)程中微破裂逐漸增多時(shí)刻；c’為計(jì)算過(guò)程中預(yù)制裂隙A下端部產(chǎn)生并擴(kuò)展裂紋時(shí)刻；d’為計(jì)算過(guò)程中預(yù)制裂隙A下端與預(yù)制裂隙B上端之間的Ⅱ型裂紋完全貫通時(shí)刻；e’為計(jì)算過(guò)程中預(yù)制裂隙A上端與試樣邊界的Ⅱ型裂紋完全貫通時(shí)刻；f’為計(jì)算結(jié)束時(shí)刻)圖3 加載過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Loading stress-strain curve

2.2 預(yù)制裂隙對(duì)裂紋形成與分布的影響

在試樣破壞過(guò)程中產(chǎn)生的宏觀裂紋可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是Ⅰ型裂紋(也可稱(chēng)為翼形張拉裂紋)，其寬度通常相對(duì)纖細(xì)并沿加載方向發(fā)展；另一類(lèi)是Ⅱ型裂紋(也可稱(chēng)為剪切裂紋)，其寬度通常較寬，并沿著與加載方向成一定角度發(fā)展。圖4為試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)期的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D，圖4中的云圖對(duì)應(yīng)埃爾-拉格朗日系數(shù)，此系數(shù)正比于試件所受到的應(yīng)變，即數(shù)值越大，說(shuō)明應(yīng)變?cè)酱螅鋵?duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)已在圖3(a)標(biāo)注。

1) 載荷對(duì)破裂區(qū)的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到a點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.9×10-3、應(yīng)力為27.0 MPa，發(fā)現(xiàn)兩條預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部首先出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，這說(shuō)明了應(yīng)力首先集中于預(yù)制裂隙尖端，這是Ⅰ型裂紋出現(xiàn)的結(jié)果，此時(shí)可以觀察到微破裂區(qū)的形狀為橢圓形，與預(yù)制裂隙端部相連。

隨著載荷繼續(xù)增加，當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到b點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.4×10-3、應(yīng)力為31.0 MPa，與狀態(tài)云圖4(a)相比，預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部微破裂區(qū)逐漸增大，且預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)更高的應(yīng)力集中區(qū)域，這說(shuō)明了微破裂區(qū)的范圍在增大，但微裂紋的范圍及密度不大，尚未成核導(dǎo)致宏觀裂紋。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)刻c點(diǎn)，即應(yīng)變?yōu)?.1×10-3、應(yīng)力為33.5 MPa，兩條預(yù)制裂隙之間出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，此時(shí)產(chǎn)生的是Ⅱ型裂紋，觀察微破裂區(qū)發(fā)現(xiàn)初始裂紋和新生裂紋周?chē)矔?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，說(shuō)明Ⅰ型裂紋處于迅速擴(kuò)展階段。當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)到峰后的d點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.4×10-3、應(yīng)力為17.5 MPa，兩條預(yù)制裂隙兩端的應(yīng)力集中區(qū)域處于不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，預(yù)制裂隙之間的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸增大，并且預(yù)制裂隙兩端的應(yīng)力集中區(qū)域相連，預(yù)制裂隙兩端之間的Ⅱ型裂紋貫通，說(shuō)明兩條預(yù)制裂隙兩個(gè)端的巖橋已經(jīng)貫通，觀察微破裂區(qū)的擴(kuò)展路徑發(fā)現(xiàn)它逐漸彎曲，并不斷向最大壓應(yīng)力方向靠近。當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到e點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.0×10-3、應(yīng)力為15.0 MPa，此時(shí)已發(fā)生過(guò)一次明顯的應(yīng)力下降，在上方預(yù)制裂隙上端出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域，說(shuō)明Ⅱ型裂紋在快速擴(kuò)展。當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到f點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.2×10-3、應(yīng)力為6.7 MPa，即試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，此時(shí)預(yù)制裂隙A上端的Ⅱ型裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，而預(yù)制裂隙B下側(cè)亦產(chǎn)生了Ⅱ型裂紋并最終貫通整個(gè)試樣，而在預(yù)制裂隙外側(cè)Ⅱ型裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，只有少量的Ⅰ型裂紋從中孕育演化。

2) 破裂區(qū)演化過(guò)程。圖5為計(jì)算獲取的微破裂孕育演化過(guò)程，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)已在圖3(b)標(biāo)注。在峰值強(qiáng)度之前，當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到a′點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變?yōu)?.0×10-3、應(yīng)力為28.0 MPa，微破裂首先在預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部產(chǎn)生，并形成初始的Ⅰ型裂紋。

當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到b′點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.4×10-3、應(yīng)力為31.0 MPa，預(yù)制裂隙A、B兩個(gè)端部的Ⅰ型裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，微破裂逐漸增多。應(yīng)力達(dá)到峰值c′點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.1×10-3、應(yīng)力為33.7 MPa，構(gòu)成Ⅱ型裂紋的微破裂開(kāi)始在預(yù)制裂隙A下端部產(chǎn)生并擴(kuò)展，預(yù)制裂隙A、B上下端的Ⅰ型裂紋亦進(jìn)一步擴(kuò)展。在峰值強(qiáng)度之后，當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到d′點(diǎn)時(shí)，即當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.5×10-3、應(yīng)力為26.0 MPa時(shí)，預(yù)制裂隙A下端與預(yù)制裂隙B上端之間的Ⅱ型裂紋完全貫通，此時(shí)兩條預(yù)制裂隙兩個(gè)端的巖橋已經(jīng)貫通。當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到e′點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.9×10-3、應(yīng)力為17.0 MPa時(shí)，此時(shí)已發(fā)生過(guò)一次幅度值較大的應(yīng)力降，預(yù)制裂隙A上端與試樣邊界的Ⅱ型裂紋完全貫通。當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到f′點(diǎn)時(shí)，即應(yīng)變?yōu)?.4×10-3、應(yīng)力為6.8 MPa時(shí)，預(yù)制裂隙B下端與試樣邊界間的Ⅱ型裂紋也完全貫通。在峰值之后，可以通過(guò)圖片變化觀測(cè)到在Ⅱ型裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，亦有少量的Ⅰ型裂紋從中孕育演化。總體上講，試驗(yàn)各個(gè)階段與數(shù)值模擬各個(gè)階段裂紋演化的特征較為一致。

圖4 試驗(yàn)全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Experimental full-field strain contour maps

圖5 計(jì)算過(guò)程中微破裂孕育演化Fig.5 Evolution of micro-inasion in calculated process

2.3 預(yù)制裂隙對(duì)位移場(chǎng)(U，V)演化的影響

1) 預(yù)制裂隙對(duì)X位移場(chǎng)的影響。圖6為試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)期的X方向(垂直載荷方向)的全場(chǎng)位移云圖，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)已在圖3(a)中標(biāo)注。圖6和圖7的數(shù)值單位均為像素，此像素表現(xiàn)為云圖，根據(jù)此云圖可分析特定區(qū)域的變形狀態(tài)，此像素值正比于位移值，像素越大即是位移越大。根據(jù)圖像的變化，可以發(fā)現(xiàn)：在兩條預(yù)制裂隙的右邊位移為正值，左邊為負(fù)值。說(shuō)明了在預(yù)制裂隙左側(cè)，試樣表面向左剝離，預(yù)制裂隙右側(cè)，試樣表面向右剝離，并隨著載荷的增大，全場(chǎng)位移絕對(duì)值逐漸增大。在應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，即應(yīng)變?yōu)?.1×10-3、應(yīng)力為33.5 MPa，位移量的增大并不明顯，之后，在裂紋的擴(kuò)展階段，位移量迅速增加。在脆性破壞后，右邊位移量達(dá)到最大的0.268 mm，而在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，左邊位移量達(dá)到最大的0.91 mm。

2) 預(yù)制裂隙對(duì)Y位移場(chǎng)的影響。圖7為試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)期的Y方向(平行載荷方向)的全場(chǎng)位移云圖，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)已在圖3(a)中標(biāo)注。根據(jù)圖像的變化，可以發(fā)現(xiàn)：每條預(yù)制裂隙下方的位移量比上方的位移量大，且位移量從固定端(下端)向加載端由大到小呈梯度分布。 在應(yīng)變?yōu)?.0×10-3、應(yīng)力為15.0 MPa之前，隨載荷的增大，全場(chǎng)位移值逐漸增大，直接反映出試樣表面受力后沿平行載荷方向壓縮。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.2×10-3、應(yīng)力為6.7 MPa時(shí)，即試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，平行載荷方向位移出現(xiàn)明顯的變化，位移量全變?yōu)樨?fù)值，并沿載荷方向呈條形分布。

圖6 X方向的全場(chǎng)位移云圖Fig.6 Full-field displacement contours in direction X

圖7 Y方向的全場(chǎng)位移云圖Fig.7 Full-field displacement contours in direction Y

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)載荷到達(dá)一定階段，預(yù)制裂隙兩端首先出現(xiàn)明顯的微破裂區(qū)，其形狀近似橢圓，開(kāi)始形成宏觀Ⅰ型裂紋(翼形張拉裂紋)。

2) 隨著載荷的增大，微破裂聚集，預(yù)制裂隙端部開(kāi)始形成宏觀Ⅱ型裂紋(剪切裂紋)，并與Ⅰ型裂紋一起持續(xù)發(fā)育直至試樣破壞。

3) 預(yù)制裂隙左右兩側(cè)和上下兩側(cè)的X方向和Y方向位移量差別很大，X方向位移量在兩條預(yù)制裂隙的右邊位移為正值，左邊為負(fù)值；Y方向位移量自固定端(下端)向加載端呈由大到小呈梯度分布。

4) 將數(shù)字圖像技術(shù)與常規(guī)加載試驗(yàn)相結(jié)合，能有效反映試樣內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生以及擴(kuò)展規(guī)律，并結(jié)合PFC模擬分析比較，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

綜上所述，本文針對(duì)特定方向的預(yù)制裂隙對(duì)巖石試件裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀機(jī)理做了相關(guān)的研究，彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究中定量表述裂紋擴(kuò)展方面內(nèi)容的缺失，但是因?qū)嶋H情況復(fù)雜多變，其裂縫也是縱橫交錯(cuò)，無(wú)法和實(shí)驗(yàn)室中如此規(guī)整的裂縫相提并論，后續(xù)還需研究多方向、多尺寸的裂縫在荷載作用下其裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀機(jī)理。