岩石抗拉试验劈裂法测试技术的探讨

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  摘 要:文章主要分析了岩石抗拉试验的具体方法,主要集中阐述了劈裂法测试技术的应用方法和应用过程,希望可以为今后的岩石抗拉试验工作提供参考和借鉴。
  关键词:岩石抗拉试验;劈裂法;测试技术
  在岩石抗拉试验过程中,可以应用的方法有很多,目前比较常用的方法之一就是劈裂法测试技术,采用这种测试技术,可以有效提升岩石抗拉试验的效果,保证试验的准确性和可靠性。
  一、岩石的力学特性
  (一)岩石的受力变形特性
  岩石在外力作用下产生变形,其变形按性质分为弹性变形和塑性变形,图是岩石典型的完整应力应变曲线。根据曲率变化,可将岩石变形过程分为四个阶段:
  1.微裂隙压密阶段。岩石中原有的裂隙在荷载的作用下逐渐被压密,曲线呈上凹形,曲线斜率随应力增大而逐渐增大,表示微裂隙的变化开始较快,随后逐渐减慢。A点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石,本阶段比较明显,但对于致密岩石而言,很难划出这个阶段。
  2.弹性变形阶段。岩石的微裂隙进一步的闭合,空隙被压缩,原有的裂隙没有新的发展,也没有产生新的裂隙,应力应变基本上成正比关系,曲线近于直线,岩石变形以弹性为主。B点对应的应力称为弹性极限强度。
  3.裂隙的发展和破坏阶段。当应力超过弹性极限强度后,岩石中产生新的裂隙,同时已有裂隙继续发展,应变的增加速率超过应力的增加速率,应力应变曲线的斜率逐渐降低,并成曲线关系,体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加,裂隙进一步扩展,岩石局部破损,且破损范围逐渐扩大形成贯穿的破裂面,导致岩石破坏。C点对应的应力达到最大值,称为峰值强度或单轴极限抗压强度。
  4.峰值后阶段。岩石破坏后,经较大的变形,应力下降到一定程度开始保持常数,D点对应的应力称为残余强度。
  岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标来表示。弹性模量是在单轴压缩条件下,轴向压应力和轴向应变之比。弹性模量越大,变形越小,说明岩石抵抗变形的能力越强。岩石在轴向压力作用下,除产生轴向压缩外,还会产生横向膨胀。这种横向应变与轴向应变之比,称为岩石的泊松比。泊松比越大,说明岩石受力后的横向变形越大,岩石的泊松比一般都在。
  (二)岩石的强度
  岩石的抗压强度:岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏的极限应力,岩石的抗压强度是在单向压力无侧向约束的条件下测得的,在单轴压力作用下常见的破坏方式有:(a)单轴压力作用下试件的劈裂;(b)单斜面剪切破坏;(c)多个共扼斜面剪切破坏,如图2所示。
  岩石的抗拉强度:是岩石在单向受拉条件下拉断时的极限应力值。岩石的抗拉强度远小于抗压强度,目前常用劈裂法来测定岩石抗拉强度。
  岩石的抗剪强度:岩石抵御剪切破坏的能力。数值上等于岩石受剪切破坏时剪切面上的极限剪应力,常以黏聚力c和内摩角这两个抗剪参数表示。室内实验主要采用直接剪切实验,楔形剪切实验和三轴实验来测定抗剪强度标。
  在岩石的几个指标中,抗压强度最高,抗剪强度居中,抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的10%~40%;抗拉强度仅为抗压强度的2%~16%,岩石越坚硬,其值相差越大,较软的岩石差别较小。因此,岩石的抗压强度和抗剪,抗拉强度是相互联系的。
  二、岩石抗拉强度概述
  岩石的抗拉强度是岩石的重要力学性质指标,也是岩石结构设计安全与稳定性分析的一个控制参数。近年来,随着中国经济建设的迅猛发展,大型桥梁、隧道、水坝及高层建筑等工程越来越多,在工程建设中经常会遇到岩石,其抗拉强度力学性能指标是设计、检验、控制和评判质量的重要依据。一般测定岩石抗拉强度试验方法有很多,大致可分为直接拉伸法和间接法两大类,但由于直接拉伸试验受夹持条件等限制,因此,岩石的抗拉强度一般采用间接拉伸法(劈裂法)来测定。
  作为岩石结构设计稳定性与安全性的基本控制参数,抗拉强度也是岩石的基本力学性能指标。因岩石抗接强度与抗压强度相差较大,所以在受载过程中,岩石通常会先出现拉伸破坏,这对地下工程建设将产生直接影响。因直接拉伸试验需要控制一定的夹持条件,岩石的抗拉强度通常会采用间接试验法进行测定。而劈裂法在对岩石抗拉强度的测定中应用相对广泛。依据弹性理论,立方形或圆柱试验在劈裂过程中的抗拉强度可通过以下公式进行求解:
  其中,Pu表示试件破坏瞬间出现的荷载;D表示立方体岩样的高度或圆柱体岩样的直径;t表示立方体岩样的宽度或圆柱体岩样的厚度。
  依据此公式,施加在岩样破裂面上的应力都为均匀拉应力,而在岩样受压接触位置真实的压应力值要远远高于均匀拉应力值,随后再短时间内快速降低。如圆柱体岩样,在与圆柱岩样中心相距4/5r的位置,应力值转变为0,随后转换为拉应力,在原板中心周围拉应力达到最高值,所以劈裂试验中通常会在圆柱岩样中心周围先形成拉伸断裂。
  岩石抗拉强度的主要影响因素:作为一类复杂力学介质,岩石的强度与变形特性将直接受到岩石结构类型、矿物成分、应力状况、温度、含水率等因素的影响,同时岩样尺寸、载荷增加速率等试样方法与试验结果也会干扰岩石抗拉强度的实际测定。
  三、劈裂法及其试验影响因素
  (一)劈裂试验
  劈裂试验亦称巴西试验(Braziliantest),这种方法起源于南美洲,是目前国内外测定岩石抗拉强度应用最广泛的试验方法。劈裂试验是在圆柱体(亦称圆盘)试样的直径方向上施加径向线性载荷,使试样沿直径破坏的试验。
  (二)试验测试中的影响因素
  在室内试验测试中,影响劈裂试验结果的影响因素一般有:试样的试验状态、受力方向、样品形状和尺寸、垫条的材料和尺寸等。
  1.试样试验状态。由于受各工程环境条件的影响,不同工程对试样试验状态要求不同,所产生的抗拉强度也不同。一般,室内试样的试验状态有干燥状态、天然状态和饱和状态。对结构坚硬致密的试样,结果变化不大;但对于结构软弱易碎的试样,结果就有较大的变化。   2.试样受力方向。岩石抗拉强度常表现有明显的各向异性,特别是在许多变质岩和沉积岩中表现更为突出。一般情况,当拉力垂直于软弱面时,抗拉强度最低;拉力平行软弱面时,抗拉强度最高。由于岩石抗拉强度明显的各向异性,因此劈裂法试验就具有一定的方向性。
  3.试件形状和尺寸的影响。一般来说,岩石抗拉强度劈裂法测试时以圆断面为基础。但也有研究报道,在一对集中力的作用下,正方形平面中心的最大拉应力与圆板中心的最大拉应力相近。因此,在测试时也可采用正方形试样。同时,尺寸越大,强度越低(微裂纹概率随尺寸而增大)。
  4.关于垫条材料和尺寸的选择。在采用劈裂法进行试验时,垫条材料和尺寸的选择十分重要,其测试结果会随垫条材料、尺寸的不同有所差异。目前,由于尚难判定各垫条材料和尺寸选择的优缺点,因此根据国内外许多学者在各种不同条件下的研究成果以及我们积累的试验资料显示,在采用劈裂法进行试验时,对于坚硬和较坚硬的岩石选用直径为1mm的钢丝作垫条,对于软弱和较软弱的岩石选用垫条宽度与试样直径之比为0.08~0.1的胶木条作垫条。
  (三)劈裂法试验试件精度要求及处理要求
  试验需前先制作具有固定厚度及直径的圆盘试件,试件加工过程中应避免产生人为裂缝;若岩石为非均质粗粒结构,或样本尺寸与标准尺寸相差较大,则可选用非标准岩样,但其高径比应符合标准试样基准;岩样两端面的不平整度应控制在0.05mm以下,其两端面的平行度则应控制在0.1mm以下;岩样加工尺寸的误差值应控制在0.2mm以下;端面应与试样轴线相互垂直,其最高偏差应在0.25°以下;当饱和容器内的水面一直高出试样时,其真空压力表的读数应控制在100kPa左右,且应以无气泡逸出作为基本控制标准;试样压入水槽时,首次注水高度应控制在试件的1/4左右,然后按照2h的时间间隔分别注水至1/2、3/4及全部,试件在水中的吸水时间应在48h左右。
  四、操作步骤
  (一)试样制备
  试验时,先将岩石加工成直径50mm、厚25mm的标准圆盘形试件,也可加工成50mm×50mm×50mm的立方形试件,每组试验做3块。在试件制备过程中,不允许人为裂缝产生。试件制备的精度应满足以下要求:(1)试件加工允许尺寸误差小于0.2mm;(2)试件两端面的不平整度小于0.05mm,试件两端面平行度小于0.1mm;(3)端面应垂直于试样轴线,最大偏差小于0.25°;(4)对于非均质粗粒结构岩石,或取样尺寸小于标准尺寸者,允许采用非标准试样,但高径比应满足标准试样的要求。
  (二)试件描述
  试验前,对试件应描述下列内容:岩石名称、颜色、主要矿物成分、结构构造、风化程度、胶结物性质等;加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题;含水状态及所使用的方法。
  (三)试件烘干或饱水处理
  烘干试件:在105~110℃温度下烘干24h。自由浸水法饱和试件:将试件放入水槽,先注水至试件高度的1/4处,以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处,6h后全部浸没试件,试件在水中自由吸水48h。(1)煮沸法饱和试件:煮沸容器内的水面始终高于试件,煮沸时间不少于6h。(2)真空抽气法饱和试件:饱和容器内的水面始终高于试件,真空压力表读数宜为100kPa,直至无气泡逸出为止,但总抽气时间应不少于4h。
  (四)填制记录表
  测试件加工精度、试件尺寸(试件直径应在其高度中部两个互相垂直的方向量测,取算术平均值)填入记录表内。
  (五)选择压力机度盘
  一般应满足:0.2P  (六)试样安装
  通过试件直径的两端,沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线,将经加工的圆盘状(或正方形板状)试件放入夹具内,夹具上、下刀刃对准加载极限,用两侧夹持螺钉固定好试件,或用两根直径2.0mm的钢丝放在加载极限上,钢丝间用橡皮筋固定。然后把夹好试件的夹具或夹好钢丝的试件放入压力机的上、下承压板之间,并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条,然后调整压力机的横梁或活塞,使试件的中心线和试验机的中心线在一条直线上,应注意使试样上、下两垫条刚好位于包含压力机加荷板中心线的垂直面内,以避免荷载的偏心作用。
  垫条的作用是将施加的压力变为线荷载,并使试件产生垂直于上、下荷载作用方向的张拉力,因此,垫条须位于与试件垂直的对称轴面。
  (七)施加荷载
  开动材料试验机,施加几百牛顿载荷后,松开夹具两侧夹持螺钉,然后以每秒0.03~0.05MPa的加荷速度加压,直至试样破坏,记录最大破坏荷载,并描述试样破坏情况。
  (八)记录破坏载荷,对破坏后的试件进行摄影或描述
  非干燥状态试件破坏后,应去除部分碎块立即用塑料袋封存,并尽快测定其含水率(必要时应测定干湿密度),填入记录表内。
  五、试验数据工程处理
  本实验采用位移、荷载转换自动控制,即先用位移控制,实验中选择10mm/60s的速率和恒定0.2kN的荷载加载,等符合某一要求(荷载达到要求或位移达到要求)即停止加载,再转换为200N/s和20mm的荷载、位移控制。直到试件破坏,记录相关曲线,求出抗拉强度。
  (1)采用劈裂法测定岩石的抗拉强度,方法简便,测定结果稳定。(2)对采集的岩石试样进行加工处理后,进行室内岩石力学劈裂抗拉参数的测试。(3)试样试验状态、受力方向、试件形状和尺寸、垫条材料及尺寸对岩石抗拉强度有一定影响。因此,试验时,其试件试验状态应按工程要求来试验;岩石的受力方向应按正确方向施力;试件形状采用圆盘形试件,直径50mm、厚25mm,或是50mm×50mm×50mm的立方形试件;垫条材料的硬度与岩石试件的坚硬程度相匹配,采用直径为1.5mm或2mm的钢丝。
  六、结语
  综上所述,岩石抗拉试验的过程中,必须要分析试验的具体方法,明确试验的一些基本的要求,从而提升岩石抗拉试验的有效性,不断改善测试的效果,提升劈裂法测试技术水平。
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