北山花崗巖直接拉伸與巴西劈裂試驗研究★

苗 雨 生

(山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

1 概述

根據我國已開展的關于高放廢物處置庫選址和場址評價研究、處置庫設計調研等工作，經過全國篩選和地區預選,已初步確定甘肅北山預選區為我國高放廢物處置庫首選預選區[1]。庫址預選區所在地有著完整的花崗巖體,對預選區進行鉆孔勘探，典型鉆孔所揭露的巖性以海西期花崗閃長巖和英云閃長巖為主體。

直接拉伸和巴西劈裂試驗是國際巖石力學學會以規范的形式確定的室內試驗獲得巖石單軸抗拉強度的直接方法和間接方法[2]。對比分析北山花崗巖巴西劈裂試驗與直接拉伸試驗兩種測定抗拉強度的試驗方法與結果，為我國高放廢物地質處置庫地下工程的設計和建設提供圍巖基礎參數借鑒與參考。

2 試驗測試

2.1 試件制備

試驗測試花崗巖取自甘肅北山，取樣部位為地下埋深560 m～690 m，主要巖性為中細粒花崗閃長巖和中粒花崗閃長巖。由于現場鉆取的深部巖芯直徑為60 mm，無論長度還是直徑皆不滿足DL/T 5368—2007巖石力學試驗規程規定的試件尺寸要求，因此需要對現場鉆取的直徑較大的深部巖樣進行室內加模鉆芯取樣，從中鉆取出可用于試驗的直接拉伸標準巖石試件6個，巴西劈裂標準巖石試件3個。

2.2 試驗原理

參照《工程巖體試驗方法標準》[3]規定的巖石抗拉強度測試、計算方法，按照式(1)計算直接拉伸抗拉強度：

(1)

其中，σdt為巖石直接拉伸抗拉強度，MPa；Pd為直接拉伸荷載，N；A為試件橫截面面積，mm2。

巴西劈裂試驗中抗拉強度按照式(2)進行計算:

(2)

其中，σt為試驗試件的抗拉強度，MPa；P為破壞荷載，N；D為試件直徑，mm；H為試件高度，mm。

2.3 試驗過程

利用山東大學自行研制的巖石直接拉伸試驗對中裝置[4]開展直接拉伸力學試驗，主要測試巖石的抗拉強度、拉伸彈模、極限拉應變。利用粘結對中裝置將試件與拉頭粘結。在粘結好的試件上粘貼應變片，粘貼的應變片需包括橫向與豎向兩個方向，每個試件粘3組。將粘結好的試件安裝在WDW-100E萬能試驗機上，將應變片與XL2101G靜態電阻應變儀相連。先施加0.1 kN拉力消除拉伸對中裝置各連接構件之間的間隙，然后同時以等時間間隔開始采集應力和應變數據，以0.05 mm/min的速度施加拉力，直至試件拉斷。

巴西劈裂試驗將巖石試件平置于WDW-100E萬能試驗機壓力機承壓板中心，調整有球形座的承壓板使試樣均勻受載。保持室溫25 ℃的情況下，以每秒0.5 MPa的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞載荷。

3 試驗結果及分析

3.1 強度及變形分析

直接拉伸和巴西劈裂破壞后巖石形態見圖1，試驗得到的各試件抗拉強度見表1。

表1 各試件抗拉強度列表

試驗類別試驗編號抗拉強度/MPa平均強度/MPaDTS/BTS直接拉伸巴西劈裂DT-15.00DT-24.40DT-35.03DT-44.83DT-54.87DT-64.37BT-16.33BT-26.46BT-37.284.756.690.71注:DTS為巖石直接拉伸強度,BTS為巴西劈裂間接拉伸強度

由圖1直接拉伸巖石破壞形態清晰表明花崗巖直接拉伸破壞面大部分出現在中部附近的均勻受拉區，試件拉伸破壞面與試件軸線接近垂直，破壞斷面新鮮平整，幾乎沒有產生碎屑或碎片，沒有剪切破壞痕跡。試驗過程中當試件斷裂時，會伴有清脆響聲，是典型的脆性拉斷破壞。由圖2破壞斷面表明巴西劈裂為沿預定加載方向發生的劈裂破壞狀態，破壞斷面平整，但試件上下加載區出現壓縮區，并產生巖石碎屑。

試驗得到的北山花崗巖直接拉伸平均抗拉強度為4.75 MPa，巴西劈裂測得平均抗拉強度為6.69 MPa，兩者比值約為0.71，巴西劈裂試驗測試獲得的巖石抗拉強度比直接拉伸試驗測試獲得的抗拉強度高近30%，這是因為巴西劈裂理論模型與實際受力狀態不符，巴西劈裂試驗的理論模型是將受力試樣簡化為彈性的二維模型，而在實際試驗過程中，其受力狀態是非常復雜的三維問題。由巖石直接拉伸破壞形態可以看出，試樣的破壞面應出現在均勻受拉段的最弱面，而巴西劈裂試驗假定的受拉破壞面并不一定是試樣的最軟弱面。直接拉伸強度和巴西劈裂拉伸強度的差異及破壞狀態表明，采用直接拉伸得到的抗拉強度相對巴西劈裂能更加真實、可靠地反映北山花崗巖的抗拉強度特性。

3.2 破壞斷面微細觀特征分析

為了揭示巖石破壞的微細觀破裂機制，選取花崗巖巴西劈裂與直接拉伸破壞的典型斷口進行了微細觀電鏡掃描試驗，試驗在SUPRA 55熱場發射掃描電子顯微鏡上進行。兩種試驗破裂斷口的電鏡掃描照片如圖3,圖4所示。

直接拉伸破壞斷面以晶間斷裂為主，存在部分穿晶斷裂。晶間斷裂的斷口比較平整，多發生在晶面與受拉力方向垂直時，沿垂直于加載方向的晶粒間微觀裂紋面斷裂。穿晶斷裂多是晶粒內部發生斷裂，斷裂面不平整，有明顯的棱角，多發生在柱狀或片狀晶體的結晶方向與受拉力方向平行時。對比圖4巴西劈裂斷口存在明顯的片狀晶體穿晶斷裂痕跡，與直接拉伸破壞斷口相比，整體比較破碎，晶體斷裂產生的棱角已被磨平，有大量碎屑產生，屬于明顯的剪切痕跡。

結合北山花崗巖直接拉伸和巴西劈裂試驗結果抗拉強度對比，花崗巖晶體和晶界抗拉強度強于晶間抗拉強度，晶間存在微裂紋，抗拉強度更為薄弱，巴西劈裂中穿晶斷裂的粗糙性明顯增加了斷裂表面面積，其破壞過程需要更多的能量耗散，由此揭示了花崗巖直接拉伸破壞強度低于巴西劈裂破壞強度的原因。

4 結語

1)研究得到了北山花崗巖直接拉伸和巴西劈裂破壞變形和強度特征。直接拉伸強度低于巴西劈裂強度，比值約為0.71，直接拉伸測試方式可更加真實反映北山花崗巖的抗拉強度。

2)利用電鏡掃描，從微細觀角度對花崗巖不同拉伸破壞狀態的形貌特征進行了研究。得到了直接拉伸以晶間斷裂和穿晶斷裂為主，巴西劈裂則以穿晶斷裂為主，這種斷裂破壞方式的差異是導致不同拉伸測試方式強度差異的原因。