三種巖石巴西劈裂及單軸壓縮試驗對比研究

陳招軍，王樂華，金 晶，黃 強，龔家偉

(1.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室(三峽大學)，湖北 宜昌 443002;2.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

巖石的力學性質是巖石力學研究的主要內容之一，是巖石力學響應機制、本構模型、數值模擬及工程設計與施工的重要基礎［1-2］。劉愷德等［3］在對煤巖進行巴西劈裂及單軸壓縮試驗時發現，煤巖的抗壓強度遠大于抗拉強度。喻勇等［4］對三峽花崗巖進行了劈裂法和單軸壓縮試驗，發現2/3試樣的彈性模量與劈裂模量的比值為16∶22。洪亮等［5］研究了花崗巖、砂巖、石灰巖的動態強度及其應變率靈敏性的尺寸效應。W.F.Brace等［6-7］針對不同巖石的破裂過程進行了相關研究，并提出裂紋發展過程的應力門檻值，即裂紋起始應力和裂紋破壞應力。張曉平等［8］研究了在不同加載條件下丹巴二云英片巖的應力門檻值，結果發現片狀單軸壓縮條件下的裂紋擴展過程存在顯著的各向異性。王彥琪等［9］研究了煤、砂巖和水泥砂漿小試件(Ф50 mm×100 mm)在單軸壓縮條件下的破壞過程和破壞規律，并利用顯微CT系統對煤樣、水泥砂漿試件的單軸壓縮試驗進行了全程的實時監測。余斐等［10］對大理巖、花崗巖和砂巖進行單軸壓縮試驗，運用聲發射儀監測巖石破壞過程中的聲發射活動。

由于不同巖石的礦物成分、結構及膠結物成因各不同，巖石的物理力學特性千差萬別，各自在拉伸與壓縮條件下變形特性也不完全相同，破壞形式也有差別。目前，鮮有從巖石組成、成因的角度對強度差異較大的巖樣的變形特性進行研究。為此，本文對取自雅礱江兩河口水電站壩址的砂板巖、三峽庫區的砂巖和宜昌城區附近的泥巖這3種力學特性相差較大的巖樣試件開展巴西劈裂和常規單軸壓縮試驗，從變形過程、破壞模式、彈性模量和泊松比等進行全面比較，分析3種巖樣組成成分和成因對變形特征和破壞模式的影響。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試樣制備

試驗中所采用的3種巖樣分別為砂板巖、砂巖、泥巖。其中，砂板巖取自雅礱江兩河口水電站壩肩邊坡，灰黑色，巖性致密，脆而堅硬，含水率和孔隙率都較低，裂隙較發育，主要由粉砂級的長石、石英組成，還含有少量絹云母、綠泥石，平均密度2794.5 kg/m3，為變質巖;砂巖取自三峽庫區秭歸沙鎮溪白水河滑坡，灰白色，結構松散，較堅硬，含水率較低，孔隙率較高，主要由石英膠結而成，平均密度2593.67 kg/m3，為沉積巖;泥巖取自宜昌城區某一路基邊坡，磚紅色，膠結程度差，含水率較高，孔隙度大，荷載作用下塑性變形顯著，膨脹性強，主要由細粒的泥質粘土礦物膠結而成，還含有少量的細砂粒，平均密度2312.93 kg/m3，為沉積巖。

通過取樣、切割、打磨和試樣加工，得到砂板巖、砂巖、泥巖試樣(見圖1)。試樣在三峽大學重點實驗室加工完成，對試樣的加載端面進行了細致研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，符合國際標準。試樣表面光滑，沒有明顯缺陷。對制備好的試樣進行超聲波測試選樣［11］，剔除縱波波速偏差較大的試樣，選取9個Ф50 mm×100 mm的標準壓縮試樣(每種巖樣3個為1組)以及12個Ф50 mm×50 mm的劈裂試樣(每種巖樣4個為1組)。單軸壓縮試驗中砂板巖編號為BY-1、BY-2、BY-3，砂巖為SY-1、SY-2、SY-3，泥巖為RY-1、RY-2、RY-3;劈裂試驗中砂板巖編號為 BP-1、BP-2、BP-3、BP-4，砂巖為 SP-1、SP-2、SP-3、SP-4，泥巖為RP-1、RP-2、RP-3、RP-4。

圖1 砂板巖、砂巖和泥巖試樣

1.2 試驗設備

采用三峽大學重點實驗室的RMT-150C巖石力學試驗機(見圖2)，其最大垂直加載力可達到1000 kN，變形控制速率的變化范圍可控制在10～1 mm/s之間，最大圍壓可加到50 MPa，力加載速率的變化范圍在0.01～100 kN/s之間。試驗機可以自動化控制，試驗過程中可對試驗對象采用位移、行程和荷載控制，也可進行正弦波、三角波、方波3種標準加載波形的疲勞試驗。該設備所有功能參數均滿足試驗要求。

圖2 RMT-150C巖石力學試驗機

2 不同巖樣巴西劈裂試驗

2.1 試驗方案

采用行程控制方式，設置加載速率為0.1 kN/s。由于3種巖樣抗拉強度差異較大，以抗拉強度最大巖石為標準，選取力終點為60 kN，加載直至巖樣破壞。

2.2 劈裂試驗結果分析

砂巖和泥巖試樣的破壞面都通過2個墊條決定的平面，且裂紋面比較平直，主要是由于砂巖和泥巖由成分均勻的物質膠結而成，在集中力的作用下，圓盤試樣端面中點處拉應力值較大，裂紋沿著端面中點向內部發展［12］，最后大部分試樣被劈裂成近似均勻的2部分。而砂板巖破壞面不唯一，裂紋面偏離圓盤中心，部分次破壞面靠近端部側邊以斜破壞面為主，主要由于砂板巖內部裂隙發育，方向不規則，結構面處填充物抗拉能力弱，在張拉力的作用下，巖樣極易沿著這些薄弱面破壞。試樣破壞見圖3。3種巖樣抗拉強度與橫向應變的關系見圖4。巴西劈裂試驗結果見表1。從圖4和表1中可以看出:

圖3 試樣破壞

(1)在巴西圓盤劈裂試驗中，不同材質巖石具有不同的特征。砂板巖和砂巖在壓密階段后表現為線彈性，達到峰值強度后迅速跌落。其中，砂板巖表現為脆性破壞，砂巖為劈裂張拉破壞。泥巖在壓密階段后表現近似線彈性，達到峰值強度后還表現一定的延性，屬劈裂張拉破壞。

(2)3種巖樣的抗拉強度均具有一定的離散性，這與巖樣分布的隨機性和物理力學性質相關。砂板巖的抗拉強度為 10.324～21.478 MPa，砂巖為4.755～7.204 MPa，泥巖為 1.847～2.442 MPa。3種巖樣的平均抗拉強度依次為13.793、5.813 MPa和2.147 MPa，平均抗拉強度之比為1∶0.42∶0.16。從3種巖石的組成成分看，砂板巖由石英、長石組成，砂巖由石英組成，泥巖主要由泥質組成，石英和長石巖性質密、堅硬，抗拉能力自然強于泥質，而泥質抗拉能力弱但韌性強，在較低的應力下應變較大。從3種巖石的成因來分析，砂板巖是由長石、石英、絹云母、綠泥石等在特定環境下高溫、高壓和化學流體發生物理化學變化而形成的巖石，物質成分之間的結合力強;砂巖是由石英顆粒在常溫常壓下膠結而成，膠結力由物理作用形成，比物化作用形成的結合力要弱;泥巖是由泥質粘土和少量的砂粒膠結而成，膠結程度差，顆粒松散，膠結力比砂巖的弱，抗拉能力最弱。

表1 3種巖樣巴西劈裂試驗結果

(3)砂板巖彈性模量為0.878～1.985 GPa，泊松比為0.031～0.067;砂巖彈性模量為0.402～0.844 GPa，泊松比為0.025～0.146;泥巖彈性模量為0.97～1.178 GPa，泊松比為0.021～0.121。3種巖樣巴西劈裂條件下得到的平均彈性模量依次為1.470、0.602 GPa和 0.894 GPa，平均泊松比為0.044、0.07和0.084。變形參數對比發現，每種巖樣各變形參數離散性明顯，3種巖樣彈性模量、泊松比均存在明顯差異，說明巖性不同對變形參數有影響。

圖4 3種巖樣抗拉強度與橫向應變的關系

3 不同巖樣單軸壓縮試驗

3.1 試驗方案

采用行程和位移2種控制方式。預加載采用行程控制，砂巖和砂板巖抗壓強度相對較高，加載速率為0.2 kN/s，加載至10 kN;泥巖抗壓強度相對較低，加載速率為0.1 kN/s，加載至5 kN。預加載完成后，3種巖樣統一以位移加載控制，加載速率為0.005 mm/s，直至巖樣破壞。

3.2 單軸壓縮試驗結果分析

巖石在常規單軸試驗條件下，3種巖樣的破壞形態有如下特點:①砂板巖有明顯的剪切破壞面，剪切面跟巖樣軸向成一定的傾角，破壞方式主要表現為壓剪破壞，而砂巖和泥巖的破壞面與端面近似垂直，主要以張拉劈裂破壞為主;②3種巖樣破壞產生的碎屑均較少，砂板巖和砂巖巖樣一般破裂成2～4塊，而泥巖巖樣一般破裂成數塊，大小不一，主要由于組成泥巖的泥質粘土膠結程度差，而膨脹性和韌性強;③砂板巖試樣破壞時有2條貫通的裂紋;砂巖有4條;泥巖有10條，其中貫通2條。在荷載作用下，抗壓強度小的巖石裂紋發展更加充分。3種巖樣典型單軸壓縮破壞形態見圖5。

圖5 3種巖樣單軸壓縮破壞形態

3.3 應力-應變關系特性

3種巖樣常規單軸壓縮試驗的應力-應變曲線見圖6。從圖6可知，砂板巖在壓密階段后表現出較好的線彈性，強度達到應力峰值后應力迅速跌落，呈脆性破壞，幾乎不表現殘余強度，表現為彈脆性變形的特性。這主要是由于在應力作用下舊的裂隙繼續發育、發展的結果。砂巖在壓密階段之后達到峰值強度之前，先產生較小的塑性變形，之后幾乎為線彈性的，到達峰值強度之后有一定的殘余強度，在試件發生破壞的那一刻發出了清脆的破斷聲，隨后應力便迅速跌落，表現為塑彈性變形的特性。這主要由于砂巖內部空隙率比較高，在預加載時物質顆粒間孔隙被壓密，當應力達到裂紋發生的臨界值后，隨著應力的增大裂紋繼續發展直至破壞。泥巖在強度達到峰值強度之前，隨著荷載的增加表現出穩定變形階段，而到達峰值強度之后，塑性變形加速，即產生不穩定的變形，呈現塑性破壞，表現一定的殘余強度，為彈塑性變形的特性。這主要由于泥巖物質顆粒間的流動性較高，韌性和膨脹性較強，使泥巖在低應力狀態下表現出蠕變的特性，同時，較高的含水率又導致泥巖強度降低。

3種巖樣單軸壓縮試驗結果見表2。從表2可知，砂板巖、砂巖和泥巖各自單軸抗壓強度、變形參數存在離散性，這與巖樣分布的隨機性和物理力學性質相關。3種巖樣單軸壓縮條件下平均抗壓強度分別為102.596、86.075 MPa和17.992 MPa，比值為 5.7∶4.8∶1;平均彈性模量分別為 43.620、20.81 GPa和 1.792 GPa，其比值為 24.3∶11.6∶1;平均泊松比分別為0.248、0.292和0.423，其比值為1∶1.177∶1.706。再一次證明巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比與巖石的組成成分和成因密不可分。從3種巖樣破壞持續時間看，泥巖持續時間最長，再次證明泥巖蠕變特性。

4 對比分析

3種巖樣各自平均抗壓強度與平均抗拉強度的比值分別為7.438、14.867和8.38;而由巴西劈裂試驗的得到彈性模量、泊松比明顯小于單軸壓縮條件下的，且壓縮條件下的平均彈性模量與各自劈裂條件下的比值分別為29.7、34.6和2。由此可見，不同巖石材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度;不同的加載方式對同一種巖石的變形參數也有影響。

圖6 3種巖樣軸向應力與軸向應變、橫向應變的關系

5 結論

利用RMT-150C巖石力學試驗機對砂板巖、砂巖和泥巖進行巴西劈裂試驗和常規單軸壓縮試驗，研究了3種巖樣破壞特征、應力-應變關系特性以及彈性模量和泊松比等參數，得出了以下結論:

(1)巴西劈裂試驗中，砂板巖表現脆性破壞，砂巖和泥巖為劈裂張拉破壞，泥巖在達到峰值強度后還表現一定的延性。砂巖、泥巖巖樣在集中力的作用下都被劈裂成2部分，裂紋基本通過圓盤中心，而砂板巖破壞面不唯一，偏離圓盤中心。

(2)常規單軸壓縮試驗中，砂板巖以剪切破壞為主，裂紋較少，且與軸向成一定的傾角。砂巖和泥巖主要以張拉劈裂破壞為主，裂紋較多，大多與軸向平行。

(3)3種巖樣各自的抗拉強度、抗壓強度及變形參數均存在離散性，主要由于巖樣分布的隨機性和物理力學性質差異性，以及組成巖樣的礦物成分不同，巖樣的成因也不同。

(4)不同巖石材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，不同的加載方式也會影響巖石的變形參數。

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