周傳濤,田文嶺,楊圣奇,甄治國(guó)

(1.中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司,青島 266061; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,徐州 221116)

在核廢料處置庫(kù)的開(kāi)挖過(guò)程中,由于不斷地打眼放炮、機(jī)械開(kāi)挖及地應(yīng)力重新分布造成隧道內(nèi)圍巖不斷承受周期荷載。同時(shí),在核廢料處置庫(kù)使用過(guò)程中,由于機(jī)械振動(dòng),也會(huì)在處置庫(kù)圍巖中形成周期荷載。周期循環(huán)荷載不斷地作用于圍巖,造成圍巖的持續(xù)損傷,對(duì)處置庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大安全隱患。同時(shí),循環(huán)荷載可以為研究巖石損傷及變形特征提供一種有效的方法[1]。關(guān)于循環(huán)荷載下花崗巖力學(xué)行為的研究由來(lái)已久,并取得了一系列成果。

循環(huán)加卸載主要分為恒定最大應(yīng)力加卸載和遞增最大應(yīng)力加卸載兩種方式,恒定最大應(yīng)力加卸載又稱為疲勞加載,研究巖石長(zhǎng)時(shí)周期荷載作用下的力學(xué)行為[2],廣泛用于評(píng)估隧道、硐室圍巖長(zhǎng)期動(dòng)荷載下的穩(wěn)定性[3-4]。但在工程實(shí)踐中循環(huán)應(yīng)力一般不是等幅值的,所以有必要研究遞增最大應(yīng)力循環(huán)加卸載巖石損傷演化機(jī)理。遞增最大應(yīng)力加卸載主要用于測(cè)試巖石彈性模量、殘余應(yīng)變、泊松比、能量[5]在加載過(guò)程中的演化,進(jìn)而用于評(píng)價(jià)試樣加載過(guò)程中的損傷,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。借助聲發(fā)射系統(tǒng)可以記錄花崗巖破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)[6],花崗巖振鈴計(jì)數(shù)突變點(diǎn)大致在峰前90%處,可將此點(diǎn)作為判斷花崗巖破壞的前兆[7]。同時(shí)借助聲發(fā)射定位技術(shù),可以分析巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)和事件數(shù)的時(shí)空分布關(guān)系,揭示巖石在壓縮變形各個(gè)階段的破裂演化機(jī)制[8-9]。

由于處置庫(kù)圍巖受到核廢料衰變放熱的影響,其力學(xué)行為將發(fā)生改變。高溫作用引起花崗巖晶粒膨脹、脫水及化學(xué)變化,改變了花崗巖的基本物理特征[10-11],進(jìn)而影響了花崗巖的力學(xué)行為[12]。實(shí)時(shí)高溫單軸壓縮試驗(yàn),溫度可以達(dá)到1 200 ℃[13],主要研究單軸壓縮強(qiáng)度、變形、破裂及聲發(fā)射特征隨溫度的變化[14]。實(shí)時(shí)高溫常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)設(shè)備要求較高,使用液壓油加熱最高溫度為600 ℃[15]。主要研究強(qiáng)度及剪切參數(shù)隨溫度變化,配合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)可以鑒別特征應(yīng)力[16]。然而,試驗(yàn)手段較難獲得高溫作用花崗巖損傷破裂微細(xì)觀機(jī)理,例如微裂紋及能量演化,需要借助考慮花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬軟件來(lái)解決該問(wèn)題。Zhao[17]使用二維顆粒流程序(PFC2D)模擬了Lac du Bonnet花崗巖實(shí)時(shí)高溫及高溫作用后的裂紋分布情況。在此基礎(chǔ)上,Yang等[18]使用PFC2D中的Cluster單元模擬了花崗巖實(shí)時(shí)高溫單軸壓縮力學(xué)行為,研究高溫及晶粒尺寸對(duì)花崗巖單軸壓縮損傷破裂過(guò)程的影響。

上述研究主要使用室內(nèi)試驗(yàn)研究了循環(huán)加卸載及高溫作用花崗巖力學(xué)行為演化,而室內(nèi)試驗(yàn)較難從細(xì)觀層面上觀察高溫后花崗巖三軸循環(huán)加卸載損傷破裂過(guò)程[19]。因此,現(xiàn)在前人研究的基礎(chǔ)上,使用PFC中的Cluster單元研究了高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載損傷破裂過(guò)程,為保障核廢料處置庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 模擬方案

1.1 模擬加熱過(guò)程

Chen等[20]使用XRD(X-ray diffraction)衍射分析高溫作用后花崗巖的礦物成分,表明高溫處理對(duì)礦物成分影響較小,高溫主要影響礦物晶粒幾何特征。所以在模擬過(guò)程中不需要考慮高溫造成花崗巖礦物成分的改變,只需模擬因高溫作用礦物晶粒熱膨脹導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生過(guò)程。在加溫過(guò)程中,由于花崗巖的摩擦系數(shù)會(huì)隨著溫度升高幾乎線性增加[21],所以模擬過(guò)程中需要考慮溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響。采用均勻加熱的方式模擬加熱過(guò)程,每次加熱1 °C,循環(huán)100次后繼續(xù)加熱,降溫過(guò)程與加熱過(guò)程相似。為了模擬石英發(fā)生α-β相變,當(dāng)加溫至573 °C時(shí),賦值石英顆粒半徑膨脹1.004 6倍[22]。同理在降溫至573 °C時(shí),石英發(fā)生β-α相變,石英顆粒半徑縮小0.995 4倍。圖1給出了高溫600 ℃后花崗巖內(nèi)微裂紋分布特征[23]。為了研究高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載力學(xué)行為的影響,溫度同樣設(shè)定為常溫和600 ℃。

圖1 數(shù)值模擬循環(huán)加卸載的加卸載過(guò)程[23]

1.2 模擬循環(huán)加卸載

模擬循環(huán)加卸載時(shí),其加載過(guò)程與單調(diào)加載相同:使用左右兩側(cè)墻對(duì)試樣進(jìn)行伺服控制,保持圍壓(σ3)恒定,而上下端墻通過(guò)位移控制加載,速度(v)設(shè)置為0.025 m/s,如圖1(a)所示。當(dāng)加載至設(shè)定軸向應(yīng)變時(shí)進(jìn)行卸壓,卸壓過(guò)程中側(cè)向墻依然采用伺服控制保持圍壓恒定,軸向采用伺服控制[24]。首先將軸向伺服控制壓力設(shè)置為當(dāng)前壓力,并通過(guò)不斷減小軸向壓力(σ1,0.01 MPa/步)進(jìn)行卸壓,當(dāng)軸向偏應(yīng)力減小至1 MPa時(shí)結(jié)束卸壓,如圖1(b)所示。圖2給出了循環(huán)加卸載典型應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)步的變化,從圖2中可以看出加載過(guò)程中軸向卸載應(yīng)變不斷增加,峰前設(shè)置7個(gè)循環(huán),峰后設(shè)置5個(gè)循環(huán),整個(gè)加載過(guò)程中圍壓保持不變。

圖2 循環(huán)加卸載典型應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載宏觀力學(xué)行為

由于PFC中的細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)行為之間不存在直接的關(guān)系,一般通過(guò)“試錯(cuò)法”匹配細(xì)觀參數(shù),即通過(guò)不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù),使得模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好匹配。由于晶粒單元(grain-based model,GBM)中含有的細(xì)觀參數(shù)較多,在調(diào)試過(guò)程中首先固定石英、長(zhǎng)石、云母和角閃石的細(xì)觀參數(shù),通過(guò)調(diào)整節(jié)理細(xì)觀參數(shù)完成細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定。通過(guò)不斷試錯(cuò),得到了一組細(xì)觀參數(shù),如表1所示[23]。

表1 花崗巖晶粒內(nèi)部及晶粒邊界細(xì)觀參數(shù)[23]

為了驗(yàn)證該模擬方法的可行性,首先進(jìn)行高溫作用后常規(guī)三軸壓縮模擬,得到如圖3所示花崗巖三軸峰值強(qiáng)度隨溫度及圍壓演化特征[25]。從圖3中可以看出單軸壓縮下,峰值強(qiáng)度在溫度T=150 ℃時(shí)略有升高,其后開(kāi)始緩慢下降,而在T=450～600 ℃時(shí)峰值強(qiáng)度開(kāi)始快速降低,其后峰值強(qiáng)度緩慢降低。當(dāng)圍壓σ3=10 MPa、T≤ 450 ℃時(shí),峰值強(qiáng)度隨著溫度的增加波動(dòng)降低,但變化不明顯,而在T=600 ℃時(shí),有較大的突降,其后峰值強(qiáng)度隨溫度增加變化不明顯。當(dāng)σ3≥20 MPa、T≤450 ℃時(shí)溫度對(duì)峰值強(qiáng)度的影響不大。但當(dāng)T=600 ℃時(shí),峰值強(qiáng)度都會(huì)有較大的突降。數(shù)值模擬得到峰值強(qiáng)度隨溫度的演化趨勢(shì)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說(shuō)明該組細(xì)觀參數(shù)可以較好地反映高溫作用后花崗巖三軸力學(xué)行為。在此基礎(chǔ)上,可以開(kāi)展高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載研究。

圖3 高溫作用花崗巖試樣常規(guī)三軸峰值強(qiáng)度隨溫度的變化

圖4所示為不同高溫作用后花崗巖試樣單調(diào)加載與循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果。從圖4中可以看出總體上峰前循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單調(diào)加載吻合較好,表現(xiàn)為良好的記憶特征。而當(dāng)T=600 ℃時(shí),由于此時(shí)試樣內(nèi)較多熱裂紋,循單軸壓縮環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單調(diào)加載曲線差別較大,其峰值強(qiáng)度明顯降低。針對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因,接下來(lái)將從細(xì)觀層面予以解釋。常溫單軸壓縮峰后呈現(xiàn)脆性破壞,而圍壓作用下試樣具有一定的殘余強(qiáng)度。600 ℃高溫處理后單軸壓縮單調(diào)加載峰后殘余強(qiáng)度不明顯,而循環(huán)加卸載存在一定的殘余強(qiáng)度。三軸壓縮下,殘余強(qiáng)度有所增加。

圖4 不同高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

在偏應(yīng)力較小時(shí),加載和卸載過(guò)程中軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯的下凹段。說(shuō)明在卸載過(guò)程中當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)試樣中的裂隙會(huì)張開(kāi),而在加載過(guò)程中裂隙會(huì)重新閉合。同時(shí)可以看出隨著圍壓的增大,下凹段越來(lái)越不明顯,說(shuō)明圍壓一定程度上抑制了裂隙的張開(kāi)。而峰后下凹段更加明顯,說(shuō)明加載過(guò)程中造成的裂隙在卸載過(guò)程中也會(huì)一定程度上張開(kāi)。但第一次卸載后,繼續(xù)加載對(duì)應(yīng)的下凹段有所減弱,可能由于第一次循環(huán)加卸載導(dǎo)致部分閉合的裂隙未能完全張開(kāi)。

壓密階段結(jié)束后進(jìn)入彈性階段,從圖中可以看出即使試樣中已經(jīng)出現(xiàn)損傷,依然存在彈性階段。說(shuō)明試樣雖然已經(jīng)出現(xiàn)損傷,即使在峰后階段,但當(dāng)應(yīng)力不足以使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展或剪切面產(chǎn)生滑移時(shí),試樣依然表現(xiàn)為彈性特征。彈性階段結(jié)束后進(jìn)入塑性階段,此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為上凸特征。塑性階段在峰前表現(xiàn)不明顯,但峰后隨著循環(huán)次數(shù)的增加塑性特征越來(lái)越明顯。由于數(shù)值模擬試樣內(nèi)不存在初始缺陷,且峰后殘余強(qiáng)度較低,只能一定程度上反映高溫后花崗巖力學(xué)行為的演化特征。接下來(lái)將結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)循環(huán)加卸載變形及裂紋演化特征的影響展開(kāi)分析。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以提取加載段彈性模量,如圖5所示。從圖5(a)、圖5(b)可以看出常溫下彈性模量總體上隨著循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)先增加后基本穩(wěn)定,其后會(huì)出現(xiàn)緩慢降低至快速降低,最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。主要因?yàn)榧虞d前期會(huì)造成原生裂隙孔隙閉合,導(dǎo)致試樣的彈性模量有所升高。當(dāng)裂隙閉合后試樣進(jìn)入彈性階段,加載時(shí)試樣內(nèi)裂紋產(chǎn)生較少,彈性模量變化不大。加載一定程度后,試樣內(nèi)裂紋不斷萌生貫通,承載結(jié)構(gòu)不斷損傷,導(dǎo)致試樣的彈性模量不斷降低。峰后彈性應(yīng)變能釋放,試樣內(nèi)宏觀裂紋形成,彈性模量快速降低。當(dāng)試樣內(nèi)的宏觀裂紋形成后,試樣承載結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡,進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段,此時(shí)彈性模量變化不大。同時(shí)隨著圍壓的增大,在相同加載次數(shù)時(shí)彈性模量不斷增大。說(shuō)明圍壓一定程度上增加了試樣的剛度,同時(shí)在加載過(guò)程中一定程度上抑制了裂紋的萌生。

圖5 不同高溫作用后試樣彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化數(shù)

而600 ℃高溫處理后,試樣內(nèi)含有大量熱裂紋,導(dǎo)致彈性模量初始增加段及隨圍壓的變化更加明顯,如圖5(c)、圖5(d)所示。由于數(shù)值模擬試樣不具有初始缺陷,彈性模量初始上升段不明顯。從圖5(b)可以看出常溫下花崗巖彈性模量總體呈現(xiàn)峰前基本不變,峰后快速降低,而進(jìn)入殘余強(qiáng)度基本不變的特征。由于單軸及10 MPa圍壓下試樣殘余強(qiáng)度較低,未進(jìn)行循環(huán)加卸載模擬。同時(shí)由于缺少初始缺陷,導(dǎo)致常溫下試樣彈性模量對(duì)圍壓不敏感。而當(dāng)試樣經(jīng)過(guò)600 °C高溫處理后,試樣內(nèi)存在大量的熱裂紋,如圖1(b)所示,導(dǎo)致彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的演化特征發(fā)生明顯變化。初始加載閉合部分熱裂紋,彈性模量會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)緩慢上升;其后,彈性模量開(kāi)始緩慢降低。而當(dāng)試樣加載至峰后時(shí),彈性模量開(kāi)始快速下降。此時(shí)彈性模量相較于常溫下對(duì)圍壓更加敏感,隨著圍壓升高不斷增加?？傮w上,不同高溫處理后試樣的彈性模量隨循環(huán)次數(shù)及溫度演化特征與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相似。

試樣破壞過(guò)程中會(huì)伴隨離散分布于試樣內(nèi)部的微裂紋萌生擴(kuò)展,室內(nèi)試驗(yàn)主要觀察到宏觀裂紋,而對(duì)離散分布于試樣內(nèi)的微裂紋觀察較少。數(shù)值模擬模擬試樣破裂過(guò)程中可以較好地記錄微裂紋產(chǎn)生的時(shí)間及位置,但大量的微裂紋存在,導(dǎo)致宏觀裂紋不明顯。為了對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬試樣的最終破裂模式,按照微裂紋對(duì)應(yīng)顆粒相對(duì)位移量進(jìn)行篩選裂紋,并得到宏觀裂紋分布特征,如圖6、圖7所示。常溫下,單軸壓縮下試樣主要以劈裂破壞為主,且裂紋主要在晶粒邊界萌生擴(kuò)展;而10 MPa圍壓下試樣以單剪切裂紋破壞為主,但此時(shí)裂紋依然存在于晶粒邊界。隨著圍壓升高,試樣以共軛剪切破壞為主,且穿晶裂紋逐漸增多。Yang等[26]通過(guò)偏光顯微觀察不同圍壓下裂紋細(xì)觀結(jié)構(gòu),證明穿晶裂紋隨圍壓不斷增加的現(xiàn)象,一定程度上說(shuō)明該數(shù)值模擬方法可以反映試樣破裂的細(xì)觀特征。

圖6 常溫下花崗巖循環(huán)加卸載試樣最終破裂模式

圖7 600 ℃高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載試樣最終破裂模式

600 ℃高溫作用后,單軸壓縮下試樣依然以劈裂破壞為主,且主要為晶粒邊界裂紋;常規(guī)三軸下試樣以單剪切裂紋破壞為主,隨著圍壓增高剪切裂紋帶上的分支逐漸減少,且穿晶裂紋的比例逐漸增多。對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以看出數(shù)值模擬可以一定程度上反映宏觀裂紋隨溫度及圍壓的演化特征。

通過(guò)上述分析可以看出,數(shù)值模擬得到的高溫作用花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線特征、彈性模量及泊松比隨循環(huán)次數(shù)的演化特征及破裂模式與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相似,一定程度上說(shuō)明了該數(shù)值模擬方法的可行性。而室內(nèi)試驗(yàn)較難觀察試樣的破裂過(guò)程,基于上述分析,接下來(lái)將使用該數(shù)值模擬方法對(duì)高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載裂紋演化特征展開(kāi)分析。

3 高溫作用后花崗巖循環(huán)加卸載裂紋演化特征

通過(guò)分析微裂紋演化過(guò)程,可較好探究循環(huán)加卸載損傷破裂機(jī)理。圖8給出了圍壓為40 MPa下循環(huán)及單調(diào)加載裂紋演化特征,從圖8(a)可以看出峰前循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂紋演化曲線與單調(diào)加載吻合較好,說(shuō)明循環(huán)加卸載在峰前對(duì)試樣損傷演化影響不大。由于圍壓影響,初始加載微裂紋類型以晶粒邊界裂紋為主,而隨著加載進(jìn)行試樣主要出現(xiàn)穿晶裂紋。峰值點(diǎn)附近微裂紋快速增加,且主要以穿晶裂紋為主。此時(shí)剪切帶快速形成[如圖8(b)],剪切帶穿過(guò)晶粒,產(chǎn)生較多穿晶裂紋。峰后循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及微裂紋演化曲線與單調(diào)加載發(fā)生偏離,微裂紋數(shù)目在初始卸載段開(kāi)始增多;繼續(xù)加載過(guò)程中,當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到前次加載最大應(yīng)力時(shí)即出現(xiàn)裂紋增多的現(xiàn)象(Felicity效應(yīng))。此時(shí)循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的穿晶裂紋及沿晶裂紋數(shù)目明顯大于單調(diào)加載,且穿晶裂紋增加明顯。峰后應(yīng)力快速下降,并進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段。殘余強(qiáng)度階段,剪切帶兩側(cè)巖體反復(fù)摩擦,造成循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)微裂紋數(shù)目明顯大于單調(diào)加載。從圖8(b)可以看出,殘余強(qiáng)度階段,循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的晶粒邊界裂紋數(shù)目明顯大于單調(diào)加載,一定程度上說(shuō)明剪切帶兩側(cè)巖體摩擦主要導(dǎo)致晶粒脫落,產(chǎn)生較多的晶粒邊界裂紋。

圖8 未經(jīng)處理花崗巖常規(guī)三軸壓縮過(guò)程中微裂紋演化特征(σ3=40 MPa)

由于600 ℃高溫作用后試樣內(nèi)存在大量的熱裂紋,導(dǎo)致單軸壓縮下循環(huán)加卸載裂紋演化特征與單調(diào)加載存在明顯區(qū)別,如圖9所示。由于承載結(jié)構(gòu)的破壞,卸載過(guò)程中試樣內(nèi)微裂紋繼續(xù)增加,同時(shí)加載過(guò)程中Felicity效應(yīng)明顯,一旦加載微裂紋數(shù)即開(kāi)始增加。所以,第一次加載后循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及微裂紋演化曲線與單調(diào)加載就產(chǎn)生了分離。當(dāng)加載至第5次時(shí),試樣內(nèi)沿晶裂紋數(shù)目明顯大于穿晶裂紋,循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的沿晶裂紋數(shù)目大于單調(diào)加載,而穿晶裂紋數(shù)基本相等,一定程度上說(shuō)明循環(huán)加卸載過(guò)程主要是沿晶裂紋不斷擴(kuò)展。同時(shí)由于循環(huán)加卸載過(guò)程中沿晶裂紋的不斷擴(kuò)展,導(dǎo)致循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度明顯小于單調(diào)加載。峰后應(yīng)力開(kāi)始緩慢下降,循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的微裂紋演化曲線與單調(diào)加載分離更加嚴(yán)重。此時(shí)沿晶裂紋和穿晶裂紋數(shù)目都有所增加,且循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的沿晶裂紋數(shù)與單調(diào)加載差別更大。此時(shí)試樣主要以微裂紋之間的不斷貫通為主,無(wú)明顯宏觀裂紋形成。而當(dāng)試樣破壞時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的穿晶裂紋明顯小于單調(diào)加載。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因?yàn)?循環(huán)加卸載宏觀裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)單調(diào)加載慢,有較多的時(shí)間調(diào)整,所以裂紋總體沿晶粒邊界擴(kuò)展;而當(dāng)單調(diào)加載過(guò)程中,宏觀裂紋擴(kuò)展較快,當(dāng)裂紋擴(kuò)展路徑經(jīng)過(guò)晶粒時(shí)更容易穿越晶粒。該現(xiàn)象與Ju等[27]通過(guò)理論及室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果相似,裂紋擴(kuò)展增大更容易產(chǎn)生穿晶裂紋。

圖9 600 ℃高溫處理花崗巖單軸壓縮過(guò)程中微裂紋演化特征

圍壓一定程度上增強(qiáng)了高溫?fù)p傷后試樣的承載能力,導(dǎo)致循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及微裂紋演化曲線與單調(diào)加載之間的區(qū)別有所減小,如圖10所示。峰前循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及微裂紋演化曲線與單調(diào)加載產(chǎn)生分離,導(dǎo)致循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度略低于單調(diào)加載。此時(shí)試樣內(nèi)穿晶裂紋數(shù)量快速增加,且循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的穿晶裂紋明顯較單調(diào)加載多,而晶粒邊界裂紋增加不明顯。峰值處微裂紋開(kāi)始快速增加,且循環(huán)加卸載對(duì)應(yīng)的裂紋數(shù)與單調(diào)加載差距不斷在增大。峰后卸載過(guò)程裂紋數(shù)目持續(xù)增加,且Felicity效應(yīng)明顯。而當(dāng)試樣加載至殘余強(qiáng)度階段,由于剪切帶的滑動(dòng),裂紋數(shù)目持續(xù)增加,但此時(shí)主要增加的是穿晶裂紋。由于高溫作用,穿晶裂紋擴(kuò)展充分,晶粒強(qiáng)度降低明顯,所以峰后殘余強(qiáng)度階段主要產(chǎn)生大量穿晶裂紋,晶粒被壓碎,出現(xiàn)大量粉末。

圖10 高溫處理花崗巖常規(guī)三軸壓縮過(guò)程中微裂紋演化特征(T=600 ℃,σ3=40 MPa)

4 討論

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可行性,圖11、圖12分別給出了三軸壓縮破裂后裂紋遠(yuǎn)場(chǎng)及近場(chǎng)處偏光顯微結(jié)果。從圖11可以看出加載對(duì)裂紋遠(yuǎn)場(chǎng)處的影響較小,常溫下晶粒之間嵌鎖緊密,晶粒較完整,但部分晶粒處會(huì)有一定的缺陷,該缺陷可能為原始缺陷。原始缺陷的存在一定程度上造成了應(yīng)力應(yīng)變曲線在初始?jí)嚎s時(shí)產(chǎn)生非線性壓密段。而600 ℃高溫處理后,試樣內(nèi)存在大量的穿晶裂紋及晶粒邊界裂紋,與圖9、圖10對(duì)應(yīng)的結(jié)果相似。由于大量穿晶及晶粒邊界裂紋的存在,造成其力學(xué)行為與常溫下明顯不同。

圖12 宏觀裂紋近場(chǎng)偏光顯微結(jié)果(σ3=40 MPa)

圖12給出了宏觀裂紋近場(chǎng)處偏光顯微結(jié)果,從圖中可以看出不同高溫作用下其破裂特征明顯不同。未經(jīng)高溫處理花崗巖宏觀裂紋兩側(cè)較光滑,周圍晶粒破壞較少,宏觀破壞對(duì)周圍晶粒影響較小。同時(shí)由于循環(huán)荷載作用,裂紋處存在明顯的晶粒脫落現(xiàn)象[圖12(a)],該現(xiàn)象與圖8得到的結(jié)論相似。高溫處理后,宏觀裂紋面較粗糙,同時(shí)宏觀裂紋兩側(cè)的晶粒破壞較裂紋遠(yuǎn)場(chǎng)處明顯嚴(yán)重,說(shuō)明宏觀破壞對(duì)周圍晶粒影響較大。同時(shí)在宏觀裂紋處存在明顯的晶粒壓碎現(xiàn)象,出現(xiàn)大量粉末,該結(jié)果與圖10得到的結(jié)論相同。通過(guò)對(duì)高溫處理后花崗巖破裂處的偏光顯微分析,一定程度上說(shuō)明使用GBM模型可以用于分析高溫處理后花崗巖循環(huán)加卸載細(xì)觀力學(xué)行為。

5 結(jié)論

使用數(shù)值模擬方法對(duì)高溫處理后花崗巖三軸循環(huán)加卸載損傷演化特征展開(kāi)分析,研究了應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征及彈性模量隨溫度及圍壓的演化特征,及試樣的損傷破裂過(guò)程,主要得到以下結(jié)論。

(1)采用PFC中的GBM單元構(gòu)建了花崗巖試樣并開(kāi)展了高溫作用后常規(guī)三軸壓縮及循環(huán)加卸載試驗(yàn)?zāi)M,通過(guò)模擬獲得的高溫后花崗巖循環(huán)加卸載試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量及最終破裂模式隨溫度及圍壓的演化,得到的數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2)彈性模量隨循環(huán)次數(shù)變化主要分為峰前階段、峰后破裂階段及殘余強(qiáng)度階段。600 ℃處理后試樣內(nèi)存在大量熱裂紋,彈性模量峰前階段會(huì)存在明顯上升階段,且對(duì)圍壓更加敏感。

(3)未經(jīng)處理花崗巖三軸壓縮初始階段主要產(chǎn)生晶粒邊界裂紋,其后穿晶裂紋占主導(dǎo)地位。進(jìn)入殘余強(qiáng)度后,剪切帶兩側(cè)反復(fù)摩擦,產(chǎn)生大量晶粒脫落。

(4)600 ℃高溫處理后,單軸循環(huán)加、卸載過(guò)程都會(huì)對(duì)應(yīng)微裂紋增加(主要增加沿晶裂紋),所以循環(huán)加卸載峰值強(qiáng)度較單調(diào)加載明顯降低。而高圍壓限制了卸載過(guò)程微裂紋數(shù)目增加及Felicity效應(yīng),循環(huán)加卸載峰值強(qiáng)度與單調(diào)加載差距明顯減小。同時(shí)由于熱處理導(dǎo)致晶粒強(qiáng)度降低,剪切帶兩側(cè)反復(fù)摩擦,產(chǎn)生大量穿晶裂紋。