巖石直接拉伸及變形測量試驗方法研究

張　磊, 黃正均, 楊　同, 王寶學

(北京科技大學 土木與環境工程學院,北京　100083)

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巖石直接拉伸及變形測量試驗方法研究

張磊, 黃正均, 楊同, 王寶學

(北京科技大學 土木與環境工程學院,北京100083)

提出預制裂縫的巖石直接拉伸的方法,即在巖石試樣中部預制直線裂縫,然后直接拉伸,同時量測拉伸過程中巖石的變形數據,計算巖石的拉伸模量。預制裂縫的巖石直接拉伸方法可以避免傳統拉伸方法所帶來的問題,可以有效地進行巖石直接拉伸試驗,同時可以獲取巖石拉伸過程中的變形數據。

巖石; 直接拉伸； 應力分布； 變形測量

在單軸拉伸載荷作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗拉強度(tensile strength)[1],簡稱抗拉強度。測量巖石抗拉強度的實驗方法主要有間接拉伸法和直接拉伸法兩種。間接拉伸法主要是采用巴西劈裂的方法,采用圓盤形試件(高徑比1∶2),在試樣的直徑方向上,施加載荷,使之沿試樣直徑方向發生破壞[2]。直接拉伸法是采用圓柱形試樣(高徑比大于2∶1),在試樣的兩端通過粘接或是夾持的方式連接到拉伸試驗機中,然后在試樣的兩端施加拉伸載荷,使之產生拉伸破壞[3]。

目前國際巖石力學學會實驗室和現場試驗標準化委員會推薦的《巖石力學試驗建議方法》,中華人民共和國國家標準《工程巖體試驗方法標準(GB/T50266-99)》[4],中華人民共和國行業標準《水利水電工程巖石試驗規程(SL264-2001)》[5]及中華人民共和國行業標準《公路工程石料試驗規程(JTJ054-94)》[6]等規范中,對于巖石抗拉強度試驗都推薦使用間接拉伸法(巴西劈裂法)而不采用直接拉伸的試驗方法,主要原因在于:一是用于直接拉伸的巖石試樣加工難度大,在試驗過程中易產生彎矩；二是加載過程中巖石試樣很難被夾持,需要采用粘接方法,而粘接劑強度一定要大于巖石的抗拉強度,否則在試驗過程中會沿粘貼處發生破壞而非巖石拉伸破壞；三是巖石試樣粘接后,在端部易產生應力集中效應,大多數情況下粘接后的巖石試樣在直接拉伸過程中都會產生彎曲或扭轉應力,導致試驗失敗[7-10]。

1　預制裂縫條件下的巖石拉伸受力分析

根據Griffith強度理論,含橢圓孔平板受拉拉伸時的彈性解作為裂縫模型,當拉伸應力垂直于橢圓長軸時,長軸端點處的環向應力最大,其解為[7]

(1)

式中σ為抗拉強度,a為橢圓長軸,b為橢圓短軸。

如果將橢圓孔變得十分細長,即b→0裂縫變為一條直線,那么橢圓孔就退化為直線裂縫,根據公式可以看出在裂縫端點處σmax→,即在端點處產生應力集中。

對于巖石直接拉伸試驗,若在巖石試樣中部對稱切割直縫(直縫采用高速巖石切縫機切割,寬度1～2 mm,最大深度為試樣直徑的10%),該直縫的存在使得巖石在拉伸過程中在切縫的尖端產生應力集中效應,根據Griffith強度理論,將切縫看作為裂紋,當試樣周圍受均布拉應力時,在裂紋尖端會產生應力集中效應,而在裂紋遠端均勻分布拉應力[11],使得巖石將沿著這兩個裂紋的平面發生拉伸破裂。通過數值模擬計算,可以得出巖石試樣在存在裂縫的條件下,受均布拉應力后,其應力分布云圖符合Griffith強度理論,在裂紋尖端會產生應力集中效應,而在裂紋遠端均勻分布拉應力,受此均勻分布的拉應力巖石試樣將發生拉伸破壞。同時在巖石試樣中部對稱粘貼一組軸向應變片和徑向應變片,可以精確測量巖石拉伸過程中的變形數據,如圖1所示。

圖1　預制裂縫條件下巖石直接拉伸試驗

該試驗方法有效地解決了直接拉伸試驗中巖石試樣易產生彎曲或扭轉應力以及巖石試樣受端部應力集中效應而非產生拉伸破壞等問題,同時在巖石試樣中部對稱粘貼一組軸向應變片和徑向應變片,可以精確測量巖石拉伸過程中的變形數據[12]。

2　預制裂縫巖石拉伸及變形測量

巖石試樣為圓柱形,直徑為50～54 mm,高徑比(即試樣高度與直徑的比值)為2.5～3.0,其兩端不平整度允許偏差±0.05 mm。巖石試樣兩端分別設置有上、下圓筒狀金屬套帽,并與試樣兩端粘接在一起。在巖石試件的中間部位的兩側對稱切割有兩條切縫,切縫方向為圓柱形巖石試樣的徑向方向,即與圓柱形巖石上下兩底面平行,切縫的寬度為1～2 mm,切縫處深度最大值為試樣直徑的10%左右。

如圖2所示,上金屬套帽依次通過拉伸載荷傳感器和柔性連接進試驗加載設備的上夾具夾口中,下金屬套帽則通過柔性連接進試驗加載設備的下夾具夾口中,由上至下形成上夾具—柔性連接—拉伸載荷傳感器—金屬套帽—巖石試件—金屬套帽—柔性連接機構—下夾具的整體連接結構。

圖2　預制裂縫巖石直接拉伸裝置圖

為了在測量巖石抗拉強度的同時監測其應變狀況,在巖石試樣中部的兩側還設置有應變片組,應變片組包括一組對稱的軸向應變片及一組對稱的徑向應變片,分別測量巖石直接拉伸的軸向變形和徑向變形。在巖石拉伸過程中記錄巖石拉伸應力及應變數據,大理石直接拉伸應-應變曲線見圖3。

圖3　大理石直接拉伸應力應變曲線

巖石抗拉強度計算公式如下：

(2)

式中:σ、Pmax、A分別為巖石抗拉強度、試樣破壞時的最大載荷、試樣拉伸斷裂截面積。

巖石拉伸彈性模量和泊松比μ計算公式為:

(3)

式中:E、σ分別為50%拉伸應力下的拉伸彈性模量和拉伸應力；εh、εd分別為50%拉伸應力值所對應的縱向應變值、徑向應變值。

對所作的8件大理石直接拉伸循環加載試驗結果見表1。該組大理石抗拉強度s/MPa=5.77,拉伸彈性模量E/GPa=30.90,泊松比μ=0.222。

表1　大理巖直接拉伸循環加載試驗結果

3　結論

(1) 根據Griffith強度理論,預制裂縫的圓柱形巖石試樣在受均布拉伸應力作用下,在裂紋尖端會產生應力集中效應,而在裂紋遠端均勻分布拉應力,使得巖石將沿著這2個裂紋的平面發生拉伸破裂。

(2) 預制裂縫的巖石直接拉伸方法有效地解決了直接拉伸試驗中巖石試樣易產生彎曲或扭轉應力以及巖石試樣受端部應力集中效應而非產生拉伸破壞等問題,可以有效地進行巖石直接拉伸試驗。

(3) 預制裂縫的巖石直接拉伸試驗中,可同時完成應力和應變數據測量,精確測量巖石拉伸過程中的變形數據,得到巖石的拉伸模量。

References)

[1] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕,等. 巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2004.

[2] 周維垣.高等巖石力學[M].北京:中國水利水電出版社,1990.

[3] 張清.巖石力學基礎[M].北京：中國鐵道出版社,1986.

[4] GB/T50266—99 工程巖體試驗方法標準北京[S].北京:中國計劃出版社, 1999.

[5] SL264—2001 水利水電工程巖石試驗規程[S].北京:水利水電出版社, 2001.

[6] JTJ054—94 公路工程石料試驗規程[S]. 北京:人民交通出版社, 1994.

[7] 李世愚.巖石斷裂力學導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2010.

[8] 趙寶云,劉東燕,薛凱喜.重慶紅砂巖單軸直接拉伸特性試驗研究[J].工程勘察,2011,10(4):24-32.

[9] 余賢斌,謝強,李心一.巖石直接拉伸與壓縮變形的循環加載實驗與雙模量本構模型[J].巖土工程學報,2005,27 (9):988-993.

[10] 竇慶峰,岳順,代高飛.巖石直接拉伸試驗與劈裂試驗的對比研究[J].地下空間2004,24(2):178-181.

[11] 余賢斌,王青蓉,李心一. 巖石直接拉伸與壓縮變形的試驗研究[J]. 巖土力學,2008,29(1):18-22.

[12] Scholz C H. Microfracturing and the inelastic deformation of rock incompression[J]. Journal of Geophysical Resrech, 1968,73(4):145-151.

Study on test method for direct tension and deformation of rock

Zhang Lei, Huang Zhengjun, Yang Tong, Wang Baoxue

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083 ,China)

This paper puts forward the method of direct tension of the rock, including in the middle of the rock specimen, at the straight line crack, to do the direct tension, and measure the rock deformation data in the process of drawing, calculating the tensile modulus of rock. The direct tension method of the pre fabricated rock can avoid the problems caused by the traditional tensile method, and can effectively carry out the direct tensile test, and can obtain the deformation data in the rock drawing process.

rock; direct tension; stress distribution; deformation measurement

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.014

2015- 11- 25

張磊(1981—),男,河北徐水,碩士,工程師,研究方向為巖土工程.

E-mail：13810174099@163.com

TU458

B

1002-4956(2016)4- 0050- 03