巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法探究

馬玉華

（重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，中國(guó) 重慶400037）

在當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)備不斷改善的推動(dòng)下，巖石力學(xué)的試驗(yàn)水平得到了大幅度提升，特別是目前大量重要水電水利工程項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)基本的巖石力學(xué)指標(biāo)在試驗(yàn)水平上提出了更為嚴(yán)格的要求。巖石抗拉強(qiáng)度有電荷載估算法、彎曲試驗(yàn)法、徑向壓裂法、劈裂法、離心機(jī)法、直接拉伸法等多種試驗(yàn)方法，依據(jù)不同的工程技術(shù)要求應(yīng)恰當(dāng)選用試驗(yàn)方法。因此，加強(qiáng)有關(guān)巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法的有關(guān)研究，對(duì)于改善巖石抗拉強(qiáng)度的測(cè)定水平具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 巖石抗拉強(qiáng)度概述

作為巖石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性與安全性的基本控制參數(shù)，抗拉強(qiáng)度也是巖石的基本力學(xué)性能指標(biāo)。因巖石抗接強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相差較大，所以在受載過程中，巖石通常會(huì)先出現(xiàn)拉伸破壞，這對(duì)地下工程建設(shè)將產(chǎn)生直接影響。因直接拉伸試驗(yàn)需要控制一定的夾持條件，巖石的抗拉強(qiáng)度通常會(huì)采用間接試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)定。而劈裂法在對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的測(cè)定中應(yīng)用相對(duì)廣泛。依據(jù)彈性理論，立方形或圓柱試驗(yàn)在劈裂過程中的抗拉強(qiáng)度可通過以下公式進(jìn)行求解：

其中，Pu表示試件破壞瞬間出現(xiàn)的荷載；D表示立方體巖樣的高度或圓柱體巖樣的直徑；t表示立方體巖樣的寬度或圓柱體巖樣的厚度。[1]

依據(jù)此公式，施加在巖樣破裂面上的應(yīng)力都為均勻拉應(yīng)力，而在巖樣受壓接觸位置真實(shí)的壓應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于均勻拉應(yīng)力值，隨后再短時(shí)間內(nèi)快速降低。如圓柱體巖樣，在與圓柱巖樣中心相距4/5r的位置，應(yīng)力值轉(zhuǎn)變?yōu)?，隨后轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，在原板中心周圍拉應(yīng)力達(dá)到最高值，所以劈裂試驗(yàn)中通常會(huì)在圓柱巖樣中心周圍先形成拉伸斷裂。

巖石抗拉強(qiáng)度的主要影響因素：作為一類復(fù)雜力學(xué)介質(zhì)，巖石的強(qiáng)度與變形特性將直接受到巖石結(jié)構(gòu)類型、礦物成分、應(yīng)力狀況、溫度、含水率等因素的影響，同時(shí)巖樣尺寸、載荷增加速率等試樣方法與試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)干擾巖石抗拉強(qiáng)度的實(shí)際測(cè)定。

2 巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法

2．1 單軸拉伸法

（1）巖樣制作：選取黑云母花崗巖作為試件，此類巖石結(jié)晶較多，質(zhì)地相對(duì)堅(jiān)硬，晶粒大部分呈現(xiàn)圓形；現(xiàn)場(chǎng)切取邊長(zhǎng)為20cm的正方體花崗巖試樣，隨后量取試樣三個(gè)相互垂直方向的縱波速度，以中間縱波速度為方向進(jìn)行鉆孔取芯，加工形成長(zhǎng)為60mm、直徑為30mm的圓柱體巖樣，最后將其暴露于自然狀態(tài)下兩周。[2]

（2）巖樣同試驗(yàn)機(jī)間采用直接粘結(jié)與伍德合金等方法進(jìn)行連接：

①直接粘結(jié)：將巖樣附近相同距離處分別黏貼4個(gè)應(yīng)力片，隨后將薄層expoxy粘結(jié)劑涂抹在巖樣的上下部及壓頭上，調(diào)整壓頭緩慢上升，保證巖樣與壓頭接觸良好且具有一定壓力。待粘結(jié)力滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后即可實(shí)施拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中需控制壓頭中心與巖樣中心在同一中心線上。

②試驗(yàn)前先加工連接件，連接件可使用不銹鋼進(jìn)行制作，連接件同巖樣直接接觸的直徑需控制在30mm左右，長(zhǎng)度則調(diào)整在25mm左右，為有效減小端部效應(yīng)對(duì)試件的干擾，連接件一端需設(shè)置成平面，另一端則設(shè)置成螺母樣式，以方便同連接件的其他部位實(shí)施有效連接。試驗(yàn)前需將4個(gè)應(yīng)變片粘貼在試件附近，且應(yīng)在試件兩端安置2個(gè)軸向應(yīng)變計(jì)，并連接到接頭位置；隨后在壓頭處固定裝有液態(tài)伍德合金的設(shè)備；將壓頭緩慢提升，確保設(shè)備同上部連接件接觸充分，待伍德合金完全冷卻后便可開始拉伸試驗(yàn)。

（2）加載方式：使用MTS材料試驗(yàn)機(jī)作為主要加載設(shè)備，加載設(shè)備單軸拉伸的最高荷載為100kN，剛性則保持在2.12*109N/m，該設(shè)備可充分完成應(yīng)變控制、變形控制及荷載控制等功能，試驗(yàn)中主要利用設(shè)備的應(yīng)變控制過程，軸向應(yīng)變速率保持在5*105/s左右。

（3）試驗(yàn)：試驗(yàn)過程中測(cè)試的內(nèi)容主要包括聲發(fā)射事件、軸向位移及荷載三方面；聲發(fā)射事件通過聲發(fā)射傳感器進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試時(shí)傳感器需控制150kHz的共振頻率，獲取的信號(hào)利用A/D轉(zhuǎn)換板進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理；軸向位移可采用應(yīng)變計(jì)檢測(cè)，用于觀察不同應(yīng)變片間的值是否存在較大誤差，還可采用應(yīng)變片直接測(cè)量。[3]

（4）結(jié)果：依據(jù)伍德合金連接得到的應(yīng)變結(jié)果，在加載初期4個(gè)應(yīng)變值便表現(xiàn)出一定差異，結(jié)果導(dǎo)致嚴(yán)重的偏心加載問題。而在直接粘結(jié)應(yīng)變結(jié)果中，各應(yīng)變片之間測(cè)得的應(yīng)變值差異腳下，偏心加載問題也相對(duì)較小。因此在單軸拉伸試驗(yàn)中，應(yīng)盡量減少連接件的數(shù)量，最好將試件與壓頭直接連接，以減少偏心加載的影響。

2.2 劈裂法

（1）劈裂法是當(dāng)前巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定中應(yīng)用相對(duì)較多的一種方法。劈裂試驗(yàn)是指將有效徑向線性荷載施加在圓柱體巖樣的直徑方向上，以促使巖樣沿直徑破壞的試驗(yàn)過程。

（2）影響劈裂法試驗(yàn)的主要因素：

①試件的尺寸與形狀：隨著試件尺寸的增加，其強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；在巖石抗拉強(qiáng)度劈裂法試驗(yàn)中試件測(cè)試通常將圓斷面作為基礎(chǔ)，而相關(guān)研究表明在一對(duì)集中力條件下，圓板中心的極限應(yīng)力值同正方形平面中心的極限應(yīng)力值相差不大，所以在試驗(yàn)中也可選用正方形巖樣。

②巖樣試驗(yàn)狀況：因各項(xiàng)工程對(duì)巖樣試驗(yàn)狀態(tài)的要求標(biāo)準(zhǔn)差異較大，加上各類工程環(huán)境條件的影響，其形成的抗拉強(qiáng)度也大不相同。通常，室內(nèi)巖樣的試驗(yàn)狀態(tài)包含飽和狀態(tài)、天然狀態(tài)與干燥狀態(tài)三種，對(duì)于結(jié)構(gòu)密度較大、質(zhì)地相對(duì)堅(jiān)硬的巖樣，其試驗(yàn)結(jié)果差別較小；而對(duì)于結(jié)構(gòu)密度較小、容易破碎的巖樣，則其試驗(yàn)結(jié)果差別較大。

③墊條材料與尺寸：在進(jìn)行劈裂法試驗(yàn)時(shí)，墊條尺寸與材料類型將直接影響著試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)前，因難以有效確定不同墊條材料及尺寸大小的優(yōu)缺點(diǎn)，所以依據(jù)不同試驗(yàn)人員在各類條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明，在軟弱或相對(duì)軟弱巖樣試驗(yàn)中應(yīng)選用墊條寬度與巖樣直徑比在0.08~0.1之間的膠木條作為主要墊條；而在堅(jiān)硬或相對(duì)堅(jiān)硬巖樣試驗(yàn)中應(yīng)選擇使用直徑在1mm左右的鋼絲作為主要墊條。

④巖樣受力方向：巖石抗拉強(qiáng)度通常具有較大的各向異性，尤其在大量沉積巖及變質(zhì)巖中表現(xiàn)更加明顯。通常，在拉力與軟弱面相互平行時(shí)，抗拉強(qiáng)度會(huì)較高；當(dāng)拉力與軟弱面相互垂直時(shí)，抗拉強(qiáng)度會(huì)較低。因巖石抗拉強(qiáng)度的各向異性特點(diǎn)，劈裂法試驗(yàn)中也具有一定的方向性。[4]

（3）劈裂法試驗(yàn)試件精度要求及處理要求：試驗(yàn)需前先制作具有固定厚度及直徑的圓盤試件，試件加工過程中應(yīng)避免產(chǎn)生人為裂縫；若巖石為非均質(zhì)粗粒結(jié)構(gòu)，或樣本尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸相差較大，則可選用非標(biāo)準(zhǔn)巖樣，但其高徑比應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)試樣基準(zhǔn)；巖樣兩端面的不平整度應(yīng)控制在0.05mm以下，其兩端面的平行度則應(yīng)控制在0.1mm以下；巖樣加工尺寸的誤差值應(yīng)控制在0.2mm以下；端面應(yīng)與試樣軸線相互垂直，其最高偏差應(yīng)在0.25°以下；當(dāng)飽和容器內(nèi)的水面一直高出試樣時(shí)，其真空壓力表的讀數(shù)應(yīng)控制在100kPa左右，且應(yīng)以無氣泡逸出作為基本控制標(biāo)準(zhǔn)；試樣壓入水槽時(shí)，首次注水高度應(yīng)控制在試件的1/4左右，然后按照2h的時(shí)間間隔分別注水至1/2、3/4及全部，試件在水中的吸水時(shí)間應(yīng)在48h左右。

3 結(jié)束語

抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)水平將直接關(guān)系著巖石的整體力學(xué)性能測(cè)定及其應(yīng)用，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)巖石抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法研究，總結(jié)巖石抗拉強(qiáng)度具體試驗(yàn)技術(shù)及關(guān)鍵部位處理要求，以逐步改善巖石抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)質(zhì)量。

［1］徐根,陳楓,肖建清.載荷接觸條件對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,06(10):61-62.

［2］喻勇,徐躍良.采用平臺(tái)巴西圓盤試樣測(cè)試巖石抗拉強(qiáng)度的方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,05(35):57-58.

［3］何滿潮,胡江春,熊偉,劉成禹.巖石抗拉強(qiáng)度特性的劈裂試驗(yàn)分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2005,13(14):74-75.

［4］竇慶峰,岳順,代高飛.巖石直接拉伸試驗(yàn)與劈裂試驗(yàn)的對(duì)比研究[J].地下空間,2004,12(29):62-63.