岩石直接拉伸及变形测量试验方法研究

张　磊, 黄正均, 杨　同, 王宝学

(北京科技大学 土木与环境工程学院,北京　100083)



岩石直接拉伸及变形测量试验方法研究

张磊, 黄正均, 杨同, 王宝学

(北京科技大学 土木与环境工程学院,北京100083)

提出预制裂缝的岩石直接拉伸的方法,即在岩石试样中部预制直线裂缝,然后直接拉伸,同时量测拉伸过程中岩石的变形数据,计算岩石的拉伸模量。预制裂缝的岩石直接拉伸方法可以避免传统拉伸方法所带来的问题,可以有效地进行岩石直接拉伸试验,同时可以获取岩石拉伸过程中的变形数据。

岩石; 直接拉伸； 应力分布； 变形测量

在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(tensile strength)[1],简称抗拉强度。测量岩石抗拉强度的实验方法主要有间接拉伸法和直接拉伸法两种。间接拉伸法主要是采用巴西劈裂的方法,采用圆盘形试件(高径比1∶2),在试样的直径方向上,施加载荷,使之沿试样直径方向发生破坏[2]。直接拉伸法是采用圆柱形试样(高径比大于2∶1),在试样的两端通过粘接或是夹持的方式连接到拉伸试验机中,然后在试样的两端施加拉伸载荷,使之产生拉伸破坏[3]。

目前国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会推荐的《岩石力学试验建议方法》,中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)》[4],中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)》[5]及中华人民共和国行业标准《公路工程石料试验规程(JTJ054-94)》[6]等规范中,对于岩石抗拉强度试验都推荐使用间接拉伸法(巴西劈裂法)而不采用直接拉伸的试验方法,主要原因在于:一是用于直接拉伸的岩石试样加工难度大,在试验过程中易产生弯矩；二是加载过程中岩石试样很难被夹持,需要采用粘接方法,而粘接剂强度一定要大于岩石的抗拉强度,否则在试验过程中会沿粘贴处发生破坏而非岩石拉伸破坏；三是岩石试样粘接后,在端部易产生应力集中效应,大多数情况下粘接后的岩石试样在直接拉伸过程中都会产生弯曲或扭转应力,导致试验失败[7-10]。

1　预制裂缝条件下的岩石拉伸受力分析

根据Griffith强度理论,含椭圆孔平板受拉拉伸时的弹性解作为裂缝模型,当拉伸应力垂直于椭圆长轴时,长轴端点处的环向应力最大,其解为[7]

(1)

式中σ为抗拉强度,a为椭圆长轴,b为椭圆短轴。

如果将椭圆孔变得十分细长,即b→0裂缝变为一条直线,那么椭圆孔就退化为直线裂缝,根据公式可以看出在裂缝端点处σmax→,即在端点处产生应力集中。

对于岩石直接拉伸试验,若在岩石试样中部对称切割直缝(直缝采用高速岩石切缝机切割,宽度1～2 mm,最大深度为试样直径的10%),该直缝的存在使得岩石在拉伸过程中在切缝的尖端产生应力集中效应,根据Griffith强度理论,将切缝看作为裂纹,当试样周围受均布拉应力时,在裂纹尖端会产生应力集中效应,而在裂纹远端均匀分布拉应力[11],使得岩石将沿着这两个裂纹的平面发生拉伸破裂。通过数值模拟计算,可以得出岩石试样在存在裂缝的条件下,受均布拉应力后,其应力分布云图符合Griffith强度理论,在裂纹尖端会产生应力集中效应,而在裂纹远端均匀分布拉应力,受此均匀分布的拉应力岩石试样将发生拉伸破坏。同时在岩石试样中部对称粘贴一组轴向应变片和径向应变片,可以精确测量岩石拉伸过程中的变形数据,如图1所示。

图1　预制裂缝条件下岩石直接拉伸试验

该试验方法有效地解决了直接拉伸试验中岩石试样易产生弯曲或扭转应力以及岩石试样受端部应力集中效应而非产生拉伸破坏等问题,同时在岩石试样中部对称粘贴一组轴向应变片和径向应变片,可以精确测量岩石拉伸过程中的变形数据[12]。

2　预制裂缝岩石拉伸及变形测量

岩石试样为圆柱形,直径为50～54 mm,高径比(即试样高度与直径的比值)为2.5～3.0,其两端不平整度允许偏差±0.05 mm。岩石试样两端分别设置有上、下圆筒状金属套帽,并与试样两端粘接在一起。在岩石试件的中间部位的两侧对称切割有两条切缝,切缝方向为圆柱形岩石试样的径向方向,即与圆柱形岩石上下两底面平行,切缝的宽度为1～2 mm,切缝处深度最大值为试样直径的10%左右。

如图2所示,上金属套帽依次通过拉伸载荷传感器和柔性连接进试验加载设备的上夹具夹口中,下金属套帽则通过柔性连接进试验加载设备的下夹具夹口中,由上至下形成上夹具—柔性连接—拉伸载荷传感器—金属套帽—岩石试件—金属套帽—柔性连接机构—下夹具的整体连接结构。

图2　预制裂缝岩石直接拉伸装置图

为了在测量岩石抗拉强度的同时监测其应变状况,在岩石试样中部的两侧还设置有应变片组,应变片组包括一组对称的轴向应变片及一组对称的径向应变片,分别测量岩石直接拉伸的轴向变形和径向变形。在岩石拉伸过程中记录岩石拉伸应力及应变数据,大理石直接拉伸应-应变曲线见图3。

图3　大理石直接拉伸应力应变曲线

岩石抗拉强度计算公式如下：

(2)

式中:σ、Pmax、A分别为岩石抗拉强度、试样破坏时的最大载荷、试样拉伸断裂截面积。

岩石拉伸弹性模量和泊松比μ计算公式为:

(3)

式中:E、σ分别为50%拉伸应力下的拉伸弹性模量和拉伸应力；εh、εd分别为50%拉伸应力值所对应的纵向应变值、径向应变值。

对所作的8件大理石直接拉伸循环加载试验结果见表1。该组大理石抗拉强度s/MPa=5.77,拉伸弹性模量E/GPa=30.90,泊松比μ=0.222。

表1　大理岩直接拉伸循环加载试验结果

3　结论

(1) 根据Griffith强度理论,预制裂缝的圆柱形岩石试样在受均布拉伸应力作用下,在裂纹尖端会产生应力集中效应,而在裂纹远端均匀分布拉应力,使得岩石将沿着这2个裂纹的平面发生拉伸破裂。

(2) 预制裂缝的岩石直接拉伸方法有效地解决了直接拉伸试验中岩石试样易产生弯曲或扭转应力以及岩石试样受端部应力集中效应而非产生拉伸破坏等问题,可以有效地进行岩石直接拉伸试验。

(3) 预制裂缝的岩石直接拉伸试验中,可同时完成应力和应变数据测量,精确测量岩石拉伸过程中的变形数据,得到岩石的拉伸模量。

References)

[1] 蔡美峰,何满潮,刘东燕,等. 岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2004.

[2] 周维垣.高等岩石力学[M].北京:中国水利水电出版社,1990.

[3] 张清.岩石力学基础[M].北京：中国铁道出版社,1986.

[4] GB/T50266—99 工程岩体试验方法标准北京[S].北京:中国计划出版社, 1999.

[5] SL264—2001 水利水电工程岩石试验规程[S].北京:水利水电出版社, 2001.

[6] JTJ054—94 公路工程石料试验规程[S]. 北京:人民交通出版社, 1994.

[7] 李世愚.岩石断裂力学导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2010.

[8] 赵宝云,刘东燕,薛凯喜.重庆红砂岩单轴直接拉伸特性试验研究[J].工程勘察,2011,10(4):24-32.

[9] 余贤斌,谢强,李心一.岩石直接拉伸与压缩变形的循环加载实验与双模量本构模型[J].岩土工程学报,2005,27 (9):988-993.

[10] 窦庆峰,岳顺,代高飞.岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究[J].地下空间2004,24(2):178-181.

[11] 余贤斌,王青蓉,李心一. 岩石直接拉伸与压缩变形的试验研究[J]. 岩土力学,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

张磊(1981—),男,河北徐水,硕士,工程师,研究方向为岩土工程.

E-mail：13810174099@163.com

TU458

B

1002-4956(2016)4- 0050- 03