红砂岩压、拉力学性质对比

2021-06-23莫正

科学技术创新 2021年18期

莫正

（湖南交通国际经济工程合作有限公司，湖南长沙410000）

1 概述

在岩石边坡工程、岩石地下洞室工程和岩石基础工程中，岩石处于受拉状态或者受压状态，或者压、拉同时作用状态都是十分常见的。因此，岩石压拉、力学性质研究具有重要的工程应用价值，一直是岩石工程领域的研究热点。与金属可被看作均质材料不同，岩石是由各种矿物成分组成的非均质体，天然存在显著的缺陷[1,2]，其抗拉与抗压力学性质会明显不同[3-5]。岩石的组成矿物成分和内部结构都对其力学性质产生决定性影响。通常情况下，不仅不同种类岩石的力学性质不同，即便是同一种类的岩石，其力学性质仍然会不同[1,2]。例如，砂岩和花岗岩力学性质不同。低孔隙度砂岩和高孔隙度砂岩的力学性质也不同。因此，通过工程经验类比并不能精确地获取岩石力学性质信息。岩石力学性质通常采用室内试验和现场试验获取，其中室内试验是最主要的方法。岩石力学性质的室内试验包括抗压试验[6,7]、抗剪试验[8,9]和抗拉试验[10,11]。研究岩石压、拉力学性质需要开展抗压试验和抗拉试验。岩石单轴抗压试验是最常用的抗压试验。相比抗压试验，抗拉试验特别是直接拉伸试验所需满足的条件多且复杂[12,13]。目前抗拉试验多为巴西劈裂试验，属于间接拉伸试验。现有研究表明，由巴西劈裂试验获得的抗拉强度和由单轴直接拉伸试验获得的抗拉强度之间有一定的差距[11,14,15]。因此，要精确获得岩石的抗拉力学性质需要通过直接拉伸试验。常用的直接拉伸试验为单轴直接拉伸试验，试样外观为“狗骨头”[13,16,17]。单轴直接拉伸试验通常利用专门的夹具夹住试样两端或者利用高强度树脂将试样两端固定在拉头上，再沿试样轴向施加拉力[15,16]。

红砂岩在岩石工程建设中比较常见，广泛分布于我国的四川、云南、湖南和山东等地。红砂岩构造较复杂，有泥状胶结构造，有粒状碎屑构造，崩解性强的通常为软岩～较软岩，崩解性弱或者无崩解性的通常为硬岩。硬质红砂岩方便进行试样加工，本文研究主要针对这类红砂岩。对红砂岩开展单轴抗压试验和单轴直接拉伸试验，利用试验获得红砂岩的抗压与抗拉力学特性，通过试验结果对比分析揭示红砂岩压、拉力学特性的不同，为红砂岩工程力学性质研究提供参考。

2 红砂岩单轴抗压试验和单轴抗拉试验

2.1 试验仪器。单轴抗压试验的试验仪器为全数字控制电液伺服多功能试验机RMT-150B。试验机轴向输出最大压力为1000kN。

单轴抗拉(直接拉伸)试验的试验仪器为Instron 万能材料试验机，属于静态液压试验机。试验机轴向输出最大拉力为100kN，利用配套夹具可以开展单轴直接拉伸试验。

2.2 试样。试样为红砂岩，取自四川省宜宾市。天然密度为2402～2531kg/m3，细粒碎屑结构，孔隙度为11.2%～26.2%，纵波波速为3520～4214m/s，无崩解性。

单轴抗压试验的试样为圆柱体，高为10cm，直径为5cm。单轴抗拉试验的试样通过加工得到，形式为“狗骨头”状。“狗骨头”中间直径为5cm，两端拓宽为8cm。利用自由浸水法制作饱和试样。

2.3 加载。利用RMT-150C 多功能试验机对圆柱试样开展单轴抗压试验，轴向加载采用应变控制模式，加载应变率为3×10-5s-1。利用Instron 万能材料试验机和配套夹具对“狗骨头”试样开展单轴直接拉伸试验，加载速率为1.0kN/s。单轴抗压和单轴抗拉试验的加载示意图分别见图1 和图2。由试验分别得到压、拉条件下的轴向应力与轴向应变关系曲线、强度和弹性模量等。

图1 单轴抗压试验加载示意图

图2 单轴抗拉试验加载示意图

3 试验结果及分析

3.1 应力～应变关系分析。设轴向压、拉应力分别为σc和σt，轴向压、拉应变为εc和εt。压应力值为正，拉应力值为负。轴向压应力σc与轴向压应变εc之间关系曲线σc～εc、轴向拉应力σt与轴向拉应变εt之间关系曲线σt～εt分别见图3 和图4。

图4 轴向拉应力与轴向拉应变关系曲线

图3 轴向压应力与轴向压应变关系曲线

从图3 看出，σc～εc曲线主要经历了4 个阶段：OA 非线性递增阶段、AB 线性递增阶段、BC 非线性递增阶段和CD 递减阶段。其中，OA 非线性递增阶段属于压密阶段。红砂岩试样内部具有孔隙结构，因此，在外力加载初始，孔隙在挤压作用下逐渐被压密，此时轴向的应变增长比应力慢，曲线为上凹状。随着孔隙被压密到一定程度，应变速率追上应力速率，应力～应变关系变成线性递增关系，为弹性关系，如AB 段。随着加载继续发展，在挤压过程中，岩石内局部的应力超过强度，导致局部出现微裂纹，即局部微裂萌生。微裂扩展需要克服岩石矿物颗粒之间的粘结力和矿物颗粒之间由挤压引起的摩擦力。微裂随加载发生扩展，使得岩石内部储存的弹性应变能缓慢释放，表现为应力增长速率缓慢下降，此时应力～应变曲线关系为非线性递增，属于微裂纹扩展阶段呈上凸状，如BC段。当应力达到峰值点C 后，微裂纹汇聚成宏观裂纹，此时，应力不再随着应变增加而增大，反而随着应变增加而快速下跌，表现出应变软化现象，如CD 段，该阶段属于宏观裂纹扩展阶段。

从图4 看出，σt～εt主要经历了3 个阶段：线性递增阶段O’A’、非线性递增阶段A’C’和非线性递减阶段C’D’，其中O’C’为线弹性阶段。C’D’为宏观裂纹扩展阶段，表现出应变软化现象。A’C’为微裂萌生、扩展阶段。和压力作用下存在孔隙压密阶段不同，在拉力加载初始，拉应力和拉应变就呈线性递增关系，如O’A 段。随着加载继续发展，岩石内部局部微裂纹开始萌生并快速释放应变能，从微裂纹萌生到宏观裂纹出现这一过程很短，如A’C’段所示，该段的应变区间长度只有5×10-5，因此，拉应力作用下微裂纹萌生、扩展阶段并不显著，该阶段主要克服岩石矿物颗粒之间的粘结力。到达应力峰值点后，拉应力快速下降，如C’D’段。

对比图3 和图4 可知，相比轴向压应力与轴向压应变关系曲线，轴向拉应力与轴向拉应变关系曲线没有压密阶段，微裂纹扩展阶段也不明显，峰值后曲线下跌速度更快下跌。相同之处在于，两种曲线都明显存在线弹性阶段和应变软化阶段。究其原因主要在于岩石抗拉和抗压的变形破坏机制不同。相比抗拉条件，抗压条件下岩石空隙会显著压缩，同时岩石矿物颗粒间、缺结构面间会产生显著挤压摩擦效应，挤压摩擦效应会显著消耗外力加载产生的变形能，增强岩石存储变形能的能力，因此挤压摩擦效应会显著提高岩石抵抗变形破坏的性能，表现为岩石抗压性能远强于抗拉性能。

3.2 压、拉强度对比。设单轴抗压强度为Yc，单轴抗拉强度为Yt，根据图3 和图4，单轴抗压强度和单轴抗拉强度的试验结果见表1。根据表1，单轴抗压强度Yc为58.5MPa，单轴抗拉强度Yt为4.2MPa，压、拉力强度之比为13.9:1。可见，单轴抗压强度大约是单轴抗拉强度的13.9 倍，即红砂岩单轴抗压强度远大于其单轴抗拉强度。

表1 压、拉强度对比

由前面的应力与应变关系分析可知，岩石单轴抗压和抗拉的变形破坏机制不同。相比单轴抗拉条件，单轴抗压条件下岩石内部微裂萌生、扩展需要克服很大的挤压摩擦力。单轴抗压主要发生压剪破坏，而单轴抗拉主要发生拉断破坏。拉断破坏比压剪破坏受到的束缚小。因此，单轴抗压条件下岩石达到峰值应力所需吸收的应变能远大于单轴抗拉条件。单轴抗压条件下岩石承载性能远超单轴抗拉条件，表现为单轴抗压强度远大于其抗拉强度。

3.3 强度所对应的应变的对比。设单轴抗压和抗拉条件下强度对应的应变分别为εc和εt，它们分别是图3 和图4 中所示点C和C’对应的应变值。根据图3 和图4，εc和εt的试验结果见表2。根据表2，εc=2.3×10-3，εt=-1.9×10-4，εc与εt的绝对值之比为12.1：1，可见，εc的绝对值远大于εt的绝对值。由于岩石为脆性材料，强度所对应的应变的绝对值反映了脆性的显著性，该数值越小，岩石脆性越显著，因此，红砂岩单轴抗拉条件下的脆性远比单轴抗压条件下的显著。

表2 压、拉强度对应的应变对比

3.4 压、拉弹性模量对比。设单轴抗压和抗拉条件下的弹性模量分别为Ec和Et。根据图3 和图4，Ec和Et的试验结果见表2。根据表2，单轴抗压弹性模量Ec为30.4 GPa，单轴抗拉弹性模量Et为24.3 GPa，压、拉弹性模量之比为1.3:1，可见，单轴抗压弹性模量是抗拉弹性模量的1.3 倍。究其原因在于，相比单轴抗拉条件，单轴抗压条件下岩石的应力与应变关系多了孔隙压密阶段，如图3 中的OA 段所示，压密阶段岩石变得密实，抵抗变形的能力增强，因此，抗压弹性模量比抗拉弹性模量大。

对比表1 所示的强度试验结果，可知，抗压条件下弹性模量虽然比抗拉条件的大，但这种差距不如强度的差距大。岩石弹性模量主要和空隙率相关，相比抗拉条件，抗压条件下岩石空隙被挤压，使得抗压条件下岩石比抗拉条件下密实，因此，岩石抗压弹性模量比抗拉弹性模量大，但是由于岩石内部空隙是有限的，因此，岩石抗压弹性模量和抗拉弹性模量之间的差距不如强度之间的差距大。