周 磊，姜亞成，朱哲明，董玉清，牛草原，王 蒙

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

巖石為天然準(zhǔn)脆性材料，因初始地應(yīng)力場(chǎng)作用（重力或構(gòu)造應(yīng)力）其內(nèi)部會(huì)孕育與萌生各種節(jié)理、裂紋及斷層等天然缺陷，其中裂紋缺陷在巖石圈內(nèi)分布最廣泛。還有，當(dāng)裂隙巖體遭受較嚴(yán)重的原巖應(yīng)力或瞬時(shí)沖擊地壓等靜載荷或動(dòng)載荷作用時(shí)，巖體內(nèi)部裂紋缺陷將迅速起裂與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致工程巖體結(jié)構(gòu)的破壞，而在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋很可能會(huì)止裂產(chǎn)生停滯擴(kuò)展行為，即止裂現(xiàn)象[1-3]。如果能很好地了解裂隙巖體的止裂機(jī)理并及時(shí)阻止裂紋再次起裂，將極大提高工程裂隙巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。我們將基于動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中的止裂現(xiàn)象，對(duì)裂隙巖體在沖擊載荷作用下的止裂機(jī)理進(jìn)行深入分析，擬為止裂構(gòu)件及止裂區(qū)的合理性設(shè)置提供理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

關(guān)于裂隙巖體內(nèi)預(yù)制裂紋的起裂與擴(kuò)展過(guò)程，已經(jīng)有各種模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并獲得了有價(jià)值的研究成果[4-8]。李地元等[9]研究了含端部裂紋的大理巖試樣在沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展過(guò)程中剪切裂紋與拉伸裂紋的形成過(guò)程，并分析了裂紋對(duì)能量耗散規(guī)律的影響。Huang 等[10]采用顆粒流程序PFC，分析了含雙裂紋紅砂巖試樣的巖橋?qū)α鸭y起裂與擴(kuò)展行為的影響。Wang 等[11]采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置（SHPB），研究了不同邊界條件下裂隙巖體內(nèi)預(yù)制裂紋在沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展行為的差異性。楊仁樹(shù)等[12]研究了不對(duì)稱(chēng)Y 型裂紋在爆炸載荷作用下的裂紋擴(kuò)展行為，分析了爆炸應(yīng)力波對(duì)Y 型裂紋起裂機(jī)制的影響。上述研究成果在一定程度上提升了對(duì)裂紋起裂與擴(kuò)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但關(guān)于裂隙巖體內(nèi)動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中止裂現(xiàn)象的相關(guān)研究還不夠深入。

由于裂隙巖體試樣的裂紋擴(kuò)展速度一般較快，常能夠到300 m/s 及以上，有時(shí)候甚至到1 000 m/s，并與加載率有很大關(guān)系，常規(guī)測(cè)試技術(shù)根本無(wú)法精密地進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[13-15]。近年來(lái)，巖石材料動(dòng)態(tài)損傷測(cè)試技術(shù)快速發(fā)展，如今已比較成熟，使用較廣泛的測(cè)試技術(shù)主要包含裂紋擴(kuò)展計(jì)（CPG）測(cè)試法[16]、數(shù)值圖像相關(guān)法（DIC）[17]、高速攝影機(jī)測(cè)試法[18]、動(dòng)態(tài)數(shù)字散斑法[19]和應(yīng)變片測(cè)試法[20]。由于CPG 測(cè)試法的裂紋擴(kuò)展路徑范圍較大、測(cè)試時(shí)間范圍的敏感度較高、可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行單獨(dú)定制等特點(diǎn)[21-23]，我們將采用CPG 進(jìn)行裂隙巖體在動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)斷裂全過(guò)程測(cè)試，分析裂紋的止裂現(xiàn)象及止裂機(jī)理。

為了深層次研究裂隙巖體中動(dòng)態(tài)斷裂的全過(guò)程，本文中選擇TWSRC（tunnel with single radial crack）裂隙巖體試樣進(jìn)行大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析。該構(gòu)型具有足夠的擴(kuò)展范圍來(lái)滿(mǎn)足裂紋的動(dòng)態(tài)起裂、擴(kuò)展及止裂過(guò)程的需求，采用有限差分法程序?qū)?dòng)態(tài)斷裂過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，探尋裂隙巖體動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中的止裂機(jī)理，擬為工程裂隙巖體的止裂構(gòu)件及止裂區(qū)的提出提供理論與實(shí)踐參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 構(gòu)型和材料

采用TWSRC 構(gòu)型進(jìn)行裂隙巖體的大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)制裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。該實(shí)驗(yàn)構(gòu)型中，預(yù)制裂紋具有足夠的擴(kuò)展區(qū)域，充分保證在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中進(jìn)行止裂現(xiàn)象的觀測(cè)，且TWSRC 構(gòu)型內(nèi)含有倒U 型的孔洞，能夠防止底部反射拉伸波對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響[24]。經(jīng)過(guò)前期數(shù)值模擬，預(yù)制裂紋在構(gòu)型中表征為純Ⅰ型裂紋斷裂特征，使止裂機(jī)理的分析更簡(jiǎn)單，避免了Ⅱ型裂紋斷裂特征中剪應(yīng)力對(duì)止裂分析的影響。

圖 1 TWSRC 構(gòu)型Fig. 1 TWSRC sample

TWSRC 構(gòu)型如圖1 所示，尺寸為300 mm×350 mm×30 mm，倒U 型孔洞尺寸為50 mm×60 mm，圓弧半徑r=25 mm，在圓弧頂部設(shè)置裂紋缺陷2a=50 mm，裂紋與倒U 型孔洞貫穿整個(gè)試件。裂隙巖體試樣的巖石材料為青砂巖與黑砂巖，選擇砂巖作為原材料主要是因其顆粒均勻、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易造成裂紋擴(kuò)展速度太大的波動(dòng)，但兩種巖石材料礦物成分有一定差異。依據(jù)XRD（X-ray diffraction）衍射譜分析（見(jiàn)圖2）可知，青砂巖包含石英、鎳綠泥石、鈉長(zhǎng)石，黑砂巖包含石英、鎳綠泥石、方解石、透輝石和白云母，這將造成兩種巖石材料的止裂區(qū)間及裂紋擴(kuò)展速度等斷裂力學(xué)參數(shù)具有一定差異。根據(jù)前期標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，這兩種巖石材料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。由于沖擊應(yīng)力脈沖信號(hào)波幅及波長(zhǎng)等穩(wěn)定性問(wèn)題和巖石材料的不均勻性特征，很可能在CPG 監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)無(wú)法監(jiān)測(cè)到止裂現(xiàn)象的發(fā)生，因此每種巖石材料制作6 個(gè)試件，總共12 組試件，以保證得到3 組有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 2 砂巖材料的XRD 成分分析Fig. 2 XRD analyses of sandstone materials

表 1 砂巖的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of sandstone materials

1.2 實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)加載，采用落錘沖擊試驗(yàn)裝置作為動(dòng)態(tài)加載裝置，加載的最大試件寬度能達(dá)到300 mm，遠(yuǎn)大于SHPB 試驗(yàn)裝置加載試件尺寸的最大寬度[25]。落錘沖擊試驗(yàn)裝置主要包含沖擊錘、入射板、透射板、阻尼器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 大部分，如圖3 所示。入射板和透射板均為鋁合金LY12CZ 材料，密度ρ=2 850 kg/m3，彈性模量E=71.7 GPa，縱波波速cl=5 006.1 m/s。入射板長(zhǎng)度li=3 000 mm，透射板長(zhǎng)度lt=2 000 mm，兩者的寬度和厚度均為300 mm×30 mm，且在入射板與透射板中間位置分別粘貼一張應(yīng)變片作為入射波與透射波的信號(hào)采集端。沖擊錘的下落高度范圍為0～10 m，下落高度由激光測(cè)距儀精準(zhǔn)地定位測(cè)試。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集，采集頻率為2.5 MHz，即每0.4 μs采集1 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，完全滿(mǎn)足中低速?zèng)_擊應(yīng)力脈沖信號(hào)的采集需求。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程，采用裂紋擴(kuò)展計(jì)（crack propagation gauge, CPG）為裂紋動(dòng)態(tài)起裂、擴(kuò)展及止裂過(guò)程的測(cè)試工具。它具有操作簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間、裂紋擴(kuò)展速度等斷裂力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，測(cè)試工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。BKX5-21CY-10-W 型CPG 由21 根寬度不同、長(zhǎng)度相同的金屬柵絲并聯(lián)組成，每?jī)筛饘贃沤z之間的距離為2.2 mm，測(cè)試總長(zhǎng)度為44 mm，依據(jù)每根金屬柵絲的斷裂時(shí)刻和距離即可確定裂紋的擴(kuò)展速度及止裂區(qū)間。采用高頻示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率能達(dá)到20 MHz，每1 μs 采集20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，完全能夠滿(mǎn)足裂紋快速擴(kuò)展的采集頻率要求。

圖 3 落錘沖擊試驗(yàn)裝置Fig. 3 Drop hammer impact device

為了防止應(yīng)力脈沖信號(hào)的彌散效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響，在沖擊錘與入射板之間粘貼一塊黃銅棒作為波形整形器進(jìn)行波形調(diào)整。為了進(jìn)一步防止摩擦效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響，在試件與入射板及透射板之間涂抹少量的黃油作為潤(rùn)滑劑。

1.3 結(jié)果

當(dāng)沖擊錘撞擊入射板時(shí)產(chǎn)生入射波εi(t)，隨后入射波經(jīng)過(guò)入射板與裂隙巖體試樣的接觸面發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，一部分應(yīng)力波反射回入射板形成反射波εr(t)，一部分應(yīng)力波穿過(guò)試件造成試件的破壞。當(dāng)應(yīng)力波穿過(guò)試件在試件與透射板頂端交界面處再次發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，一部分應(yīng)力波傳入透射板形成透射波εt(t)。根據(jù)SHPB 數(shù)據(jù)處理原則[25,27]，可得到動(dòng)態(tài)載荷加載曲線(xiàn)。

由于需要準(zhǔn)確定位裂紋動(dòng)態(tài)起裂的相對(duì)時(shí)間，選取應(yīng)力波第1 次到達(dá)入射板中應(yīng)變片采集端為零點(diǎn)時(shí)刻，這樣有利于以后的裂紋擴(kuò)展時(shí)刻對(duì)比。實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)載荷加載曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖 4 沖擊脈沖信號(hào)Fig. 4 Impulse signals

根據(jù)動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，選取兩種典型巖石試樣進(jìn)行裂隙巖體的止裂現(xiàn)象分析，他們的止裂區(qū)間與止裂點(diǎn)明顯不同，如圖5 所示。圖中，U 為CPG 測(cè)試信號(hào)，v 為裂紋擴(kuò)展速度，l 為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。青砂巖裂隙巖體試件1 在第8 根金屬柵絲位置處發(fā)生了止裂現(xiàn)象，止裂時(shí)間ta=97.6 μs，試件的動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間ti=342.4 μs，裂紋平均擴(kuò)展速度va=368.6 m/s（除去止裂區(qū)間）。黑砂巖裂隙巖體試件1 在第10 根金屬柵絲位置處發(fā)生了止裂現(xiàn)象，止裂時(shí)間ta=54.2 μs，試件的動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間ti=370.8 μs，裂紋平均擴(kuò)展速度va=310.1 m/s。由兩種測(cè)試數(shù)據(jù)的裂紋擴(kuò)展速度與裂紋擴(kuò)展位移趨勢(shì)線(xiàn)可以看出，裂紋擴(kuò)展速度在逐漸上下波動(dòng)，擴(kuò)展相同距離（2.2 mm）的時(shí)間區(qū)間存在很大不同，裂紋擴(kuò)展后期都存在很長(zhǎng)一段止裂區(qū)間。

黑砂巖和青砂巖測(cè)試的3 個(gè)有效數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，vs、la分別為沖擊速度、止裂位置。裂隙巖體的止裂位置與止裂區(qū)間具有一定的離散型特征，這與巖石材料內(nèi)部結(jié)晶體分布及孔隙率有很大關(guān)系。巖體中裂紋的擴(kuò)展并不是一次性擴(kuò)展形成，而是起裂-擴(kuò)展-止裂-再次起裂-擴(kuò)展的過(guò)程，止裂區(qū)間范圍為微秒量級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，青砂巖的止裂區(qū)間稍短于黑砂巖裂隙巖體試件，而起裂時(shí)間稍快于黑砂巖試件，這是由黑砂巖材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度和Rayleigh 波波速大于青砂巖材料所致。

圖 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Experimental results

表 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results

另外，裂隙巖體止裂現(xiàn)象的測(cè)試過(guò)程中，不僅需要裂隙巖體試樣具有足夠的擴(kuò)展區(qū)域（傳統(tǒng)的含切槽巴西圓盤(pán)試件很難滿(mǎn)足這個(gè)要求），而且應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制落錘撞擊速度，這需要前期連續(xù)優(yōu)化反饋落錘沖擊高度，否則很可能造成CPG 監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的一次性擴(kuò)展，無(wú)法觀測(cè)到裂紋止裂現(xiàn)象的發(fā)生，如圖6 所示。一次性擴(kuò)展青砂巖試樣的動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間ti=325.5 μs，裂紋平均擴(kuò)展速度va=422.67 m/s，裂紋的起裂時(shí)間明顯縮短，裂紋平均擴(kuò)展速度明顯增加，且在CPG 監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)無(wú)明顯的停滯現(xiàn)象，很可能是由落錘撞擊能量過(guò)大所導(dǎo)致的。這表明，止裂現(xiàn)象明顯依賴(lài)率效應(yīng)，但在裂紋擴(kuò)展后期裂紋擴(kuò)展速度一直緩慢減速發(fā)展成止裂現(xiàn)象，這也是進(jìn)行裂隙巖體止裂現(xiàn)象測(cè)試的重要經(jīng)驗(yàn)。

圖 6 青砂巖的快速擴(kuò)展Fig. 6 Rapidly propagation of green sandstone

1.4 巖石細(xì)觀損傷行為

為了分析裂隙巖體止裂現(xiàn)象的細(xì)觀損傷特征及材料的破碎機(jī)制，在CPG 監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的起裂位置與止裂位置進(jìn)行切片處理，采用TM3000電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行掃描分析，細(xì)觀掃描如圖7 所示?？梢钥闯觯鸭y擴(kuò)展的斷裂面形態(tài)大致可以分為穿晶斷裂(transgranular, TG)、沿晶斷裂(intergranular, IG)及他們相互的耦合形式，同時(shí)也有微裂紋的成核、擴(kuò)展和貫通[28]。

對(duì)微觀斷面放大500 倍后進(jìn)行電鏡掃描，由晶體斷裂原理分析可知，穿晶斷裂面比較光滑，沿晶斷裂面比較凹凸不平。因此，可知青砂巖試樣起裂點(diǎn)的穿晶斷裂比例明顯大于止裂點(diǎn)，起裂位置的穿晶斷裂占70%以上，這是由于裂紋起裂時(shí)沖擊應(yīng)力波能量遠(yuǎn)大于止裂時(shí)的應(yīng)力波能量，造成起裂點(diǎn)的穿晶斷裂比例較大，這在黑砂巖試件中也得到了體現(xiàn)。黑砂巖起裂點(diǎn)的穿晶斷裂占約50%，黑砂巖后期止裂點(diǎn)無(wú)明顯的穿晶斷裂形貌。另外，相同沖擊載荷作用下青砂巖起裂點(diǎn)的穿晶斷裂比例遠(yuǎn)大于黑砂巖試樣，說(shuō)明青砂巖的結(jié)晶體整體強(qiáng)度較低，致使青砂巖的止裂區(qū)間小于黑砂巖，最終致使青砂巖材料發(fā)生一次性擴(kuò)展的幾率遠(yuǎn)大于黑砂巖，因此在黑砂巖介質(zhì)中進(jìn)行止裂構(gòu)件及止裂區(qū)設(shè)置的更具有實(shí)踐意義。

圖 7 電鏡掃描圖像Fig. 7 Scanning electron micrograph

2 數(shù)值模擬

2.1 模型

為了更好地重現(xiàn)裂隙巖體的動(dòng)態(tài)斷裂全過(guò)程，采用有限差分法程序AUTODYN 進(jìn)行數(shù)值模擬，該程序是顯式有限差分法程序，可以進(jìn)行各類(lèi)沖擊響應(yīng)、高速/超高速碰撞、爆炸及其耦合作用下巖石材料的數(shù)值模擬[29-30]。

為了模擬巖石材料的脆性斷裂破壞，選擇最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和最大剪切應(yīng)力破壞準(zhǔn)則來(lái)表征巖石脆性材料的動(dòng)力時(shí)效損傷行為。即當(dāng)一個(gè)細(xì)觀材料單元的最大主應(yīng)力值超過(guò)了材料允許的最大拉伸強(qiáng)度或者當(dāng)一個(gè)細(xì)觀材料單元的最大剪應(yīng)力值超過(guò)了材料允許的最大剪切強(qiáng)度，這個(gè)細(xì)觀單元將發(fā)生完全失效破裂，但細(xì)觀單元是一個(gè)累積損傷破壞的過(guò)程，表達(dá)式為[31]：

式中：τmax為最大剪切應(yīng)力，τc為最大剪切強(qiáng)度，σ1為最大主應(yīng)力，σT為最大拉伸強(qiáng)度。

在各類(lèi)狀態(tài)方程中，線(xiàn)性狀態(tài)方程由于其適用性強(qiáng)、形式簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。本文中選擇線(xiàn)性狀態(tài)方程表征巖石材料模型[32]：式中：p 為壓力，K 為體積模量，ρ 為材料即時(shí)密度，ρ0為材料初始密度。

基于裂隙巖體試件尺寸（見(jiàn)圖1）建立三維1∶1 數(shù)值模型，采用楔形網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)數(shù)值模型擁有219 226 個(gè)網(wǎng)格單元，如圖8 所示。力學(xué)性質(zhì)依據(jù)表1 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了達(dá)到與模型實(shí)驗(yàn)相同的加載條件，將圖4 的應(yīng)力脈沖信號(hào)輸入數(shù)值模型中入射板的上端，再建立入射板、透射板及阻尼器全模型尺寸，得到相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果，并驗(yàn)證動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 結(jié)果

為了深層次研究裂紋擴(kuò)展軌跡中的止裂機(jī)理，在數(shù)值模型的裂紋擴(kuò)展軌跡上設(shè)置一系列高斯點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律分析，如圖9 所示。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1達(dá)到巖石材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，細(xì)觀單元將完全失效破裂，應(yīng)力值急速下降為零，根據(jù)急劇下降點(diǎn)的時(shí)間可以很好地判斷裂紋的擴(kuò)展時(shí)刻及止裂區(qū)間，再根據(jù)裂紋擴(kuò)展時(shí)刻確定動(dòng)態(tài)起裂時(shí)刻及裂紋擴(kuò)展速度等斷裂力學(xué)參數(shù)。

圖 9 最大主應(yīng)力Fig. 9 Maximum principal stresses

根據(jù)最大主應(yīng)力曲線(xiàn)的擴(kuò)展時(shí)刻，計(jì)算青砂巖與黑砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展速度及位移，如圖10 所示。設(shè)2 個(gè)高斯點(diǎn)間距為0.5 mm，間距小于CPG 的2 根金屬柵絲之間的距離（2.2 mm），從裂紋擴(kuò)展位移與裂紋擴(kuò)展速度曲線(xiàn)能夠更清晰地判斷，裂紋先從起裂加速到高速擴(kuò)展后緩慢減速，進(jìn)一步發(fā)生止裂現(xiàn)象，再次受到應(yīng)力波作用二次起裂加速至高速豎直向上擴(kuò)展，這與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的斷裂過(guò)程一致。

另外，由圖10 也可見(jiàn)，當(dāng)青砂巖試樣在裂紋擴(kuò)展至37.5 mm 時(shí)，裂紋擴(kuò)展位移產(chǎn)生了很長(zhǎng)一段停滯時(shí)間，為98.96 μs，與青砂巖1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差為1.4%，表明裂隙巖體的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中的確存在止裂現(xiàn)象，且止裂的停滯時(shí)間明顯大于其他裂紋擴(kuò)展階段。青砂巖試樣在數(shù)值模擬中動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間為ti=339.24 μs，與青砂巖1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差為0.93%，且起裂時(shí)間早于實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，這是由數(shù)值模型中的巖體材料均勻性假設(shè)所導(dǎo)致的。而黑砂巖試樣的數(shù)值模擬結(jié)果類(lèi)似，裂紋擴(kuò)展至27.0 mm 時(shí)發(fā)生止裂現(xiàn)象，止裂時(shí)間為47.96 μs，裂紋的動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間為378.1 μs，這與黑砂巖試件1 的測(cè)試結(jié)果基本吻合，且黑砂巖數(shù)值模擬結(jié)果很明顯地看出兩個(gè)止裂循環(huán)過(guò)程的存在。關(guān)于止裂點(diǎn)的確定，由于止裂位置與砂巖材料內(nèi)部的孔隙及微裂紋等形成有關(guān)，所以止裂位置的確定始終是一個(gè)研究難題，這在以后的課題將進(jìn)一步深入研究。

圖 10 數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 10 Numerical simulation results

為了分析裂紋止裂前后的應(yīng)力狀態(tài)變化，對(duì)青砂巖數(shù)值模型的止裂點(diǎn)前后位置應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行分析，得到拉應(yīng)力σx與剪應(yīng)力τ 的曲線(xiàn)。由圖11 可見(jiàn)，裂紋需要達(dá)到巖石細(xì)觀單元的拉伸強(qiáng)度才能夠再次起裂，但是止裂點(diǎn)處的細(xì)觀單元已經(jīng)遭受了部分拉伸損傷，再次起裂所需能量小于初始起裂。另外，再次起裂時(shí)的剪應(yīng)力明顯大于止裂點(diǎn)的剪應(yīng)力，這也是為什么在止裂點(diǎn)位置很容易產(chǎn)生拐點(diǎn)現(xiàn)象。但相對(duì)于拉伸應(yīng)力值，剪切應(yīng)力值還是較小，這是由于構(gòu)型中裂紋斷裂模式為純Ⅰ型破裂特征，能夠很好地避免剪應(yīng)力對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程的影響，有利于止裂機(jī)制，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖 11 止裂點(diǎn)和再次起裂點(diǎn)的應(yīng)力變化Fig. 11 Stress variations at crack arrest point and crack again point

為了分析起裂點(diǎn)與止裂點(diǎn)前后的能量演化規(guī)律，對(duì)起裂點(diǎn)與止裂點(diǎn)前后高斯點(diǎn)的能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖12 所示。根據(jù)裂紋的起裂時(shí)刻與止裂區(qū)間，可以確定開(kāi)始起裂位置的能量為603.65 J，出現(xiàn)止裂現(xiàn)象時(shí)刻的能量為452.85 J，再次起裂時(shí)刻的能量為459.34 J，而再次起裂時(shí)刻的能量明顯小于初始起裂時(shí)刻的能量。這是由于止裂點(diǎn)位置處細(xì)觀單元已經(jīng)有了部分損傷，細(xì)觀單元達(dá)到完全失效所需要的能量小于預(yù)制裂紋初始起裂的能量；這也驗(yàn)證了模型實(shí)驗(yàn)中預(yù)制裂紋初始起裂行為難于止裂點(diǎn)處的再次起裂，因?yàn)橐话泐A(yù)制裂紋的裂尖不是理想的尖銳裂紋，而再次起裂時(shí)裂尖趨近于理想尖銳裂紋，所以裂紋再次起裂易于初始起裂點(diǎn)。

圖 12 起裂點(diǎn)、止裂點(diǎn)和再次起裂點(diǎn)的能量變化Fig. 12 Energy variations at crack point, crack arrest point and crack again point

3 結(jié) 論

采用大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析，對(duì)動(dòng)載荷作用下裂隙巖體的止裂現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并深入研究了止裂現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，得到了以下結(jié)論。

（1）當(dāng)落錘沖擊速度在8.38～8.47 m/s 時(shí)，裂隙巖體中裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程存在停滯現(xiàn)象即止裂現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程由起裂-高速擴(kuò)展-止裂-再次起裂-再次高速擴(kuò)展的多次循環(huán)過(guò)程構(gòu)成，且青砂巖裂隙巖體試樣的起裂時(shí)間與止裂區(qū)間稍短于黑砂巖裂隙巖體試樣。

（2）在微觀斷裂面放大500 倍時(shí)，裂隙巖體試樣中的止裂點(diǎn)穿晶斷裂比例小于起裂點(diǎn)，黑砂巖巖體試樣整體的穿晶斷裂比例都較小，在黑砂巖巖體介質(zhì)中設(shè)置止裂構(gòu)件更有利于工程巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）裂隙巖體試樣內(nèi)裂紋再次起裂需要繼續(xù)克服巖石材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度，但止裂點(diǎn)再次起裂所需要的能量遠(yuǎn)小于預(yù)制裂紋初始起裂所需要的能量。