干燥和飽水狀態下含層理構造板巖巴西劈裂實驗能量研究

朱思塵，李江騰

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干燥和飽水狀態下含層理構造板巖巴西劈裂實驗能量研究

朱思塵，李江騰

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

為研究干燥和飽水狀態下不同層理角度板巖的力學特性和能量特性，對5種不同的層理角度板巖的圓柱試樣進行巴西劈裂實驗，獲得其能量特性。研究結果表明：板巖試樣的吸收能隨著載荷的增大呈非線性增大，且增大速率隨著層理角度的增大而減小；不同層理板巖的峰值能率和峰值載荷具有明顯的各向異性特征，隨著層理角度的增大而減小，且當層理角度=90°時，層理效應系數最大；水對板巖試樣的峰值能率和峰值載荷有著不同程度的降低作用，其降低系數w為0.52~0.74，降低系數p為0.48~0.68；在干燥和飽水這2種狀態下，板巖的峰值能率與抗拉強度呈現較強的線性關系，且峰值能率隨著抗拉強度的增大而增大。

層理角度；板巖；巴西劈裂；峰值能率；峰值載荷

巖石在漫長的成巖和地質作用過程中，會形成不同特性的地質界面，如層理、節理、斷層、不整合面等[1]。同種巖石在不同層理方向的力學特性和能量特性也有很大的差異。目前，人們對巖石的各向異性研究主要集中在巖石的彈性變形參數和巖石的抗壓抗拉強度。朱珍德等[2?4]通過試驗研究了層狀巖石單軸抗壓強度、彈性模量及彈性縱波波速各向異性規律，得出層狀巖石動、靜態力學參數具有明顯的各向異性；尤明慶等[5?6]對干燥及飽水巖石圓盤和圓環的抗拉強度等進行了相關試驗，得知飽水對巖石抗拉強度的影響主要體現在黏結力降低，而對壓縮強度的影響因素還包括內摩擦因數及孔隙壓力。宮鳳強等[7]結合圓盤對心受力的理論彈性解和試驗過程中測量的物理參數，推導出巖石拉伸模量和總位移變形量之間的定量關系式。劉愷德等[8]通過巴西劈裂及單軸壓縮試驗，研究了煤巖在垂直和平行于層理面方向上的拉、壓力學特性，得出煤巖的抗壓和抗拉強度有明顯各向異性。劉運思等[9?10]通過對不同層理角度下板巖巴西圓盤劈裂試驗，得到圓盤的3種破壞形式及抗拉強度、劈裂模量與層理角度的關系。侯鵬等[11?13]基于不同層理角度的頁巖試樣進行巴西劈裂試驗，得到頁巖力學特性、裂紋擴展及聲發射特征的層理效應。熊德國等[14]對砂巖、砂質泥巖和泥巖進行巴西劈裂、單軸壓縮和常規三軸壓縮試驗，得出飽水對巖石的抗壓、抗拉強度以及彈性變形參數有著不同程度的軟化作用。然而，巖石在破壞過程中常伴隨著能量的積聚及釋放，能量轉換是其破壞過程中的內在本質。為此，本文作者以不同層理板巖的巴西劈裂試驗為基礎，探討其能量積聚與層理角度及抗拉強度的關系，從能量的角度探究其破壞規律。

1 試驗

1.1 試樣制備

巴西劈裂實驗所采用的板巖試樣取自江西九江地區某礦山鉆孔礦巖巖心，外觀為深灰色，質地均勻致密，具有明顯的片狀層理構造，夾有灰色、青灰色變質細砂巖或粉砂巖。為了研究板巖的層理角度對其力學特性和能量特性的影響，采樣時運用鉆孔取芯法，對巖樣按一定的角度(即板巖層理面與試樣端面間的夾角)方向制成直徑×高度為50 mm×50 mm的圓柱試樣，如圖1所示。并對其試樣端面進行研磨，保證上、下端面平行度在0.05 mm以內[15]。板巖的基本力學性質如表1所示。

1.2 試驗方法

選取0°，30°，45°，60°和90°這5個不同層理角度的板巖，在微機控制的電液伺服萬能試驗機上進行巴西劈裂試驗。加載方式如圖2所示。對試樣分別進行干燥和飽水處理。板巖試樣置于烘干箱內在 100 ℃左右加熱 24 h 后自然冷卻，作為干燥試樣。板巖試樣放置于水桶內，先將試樣的1/4浸泡在水中2 h，然后加水浸泡到試樣的1/2在水中2 h。浸泡巖樣的3/4在水中2 h后，加水至全部浸泡并高出試樣20 mm浸泡48 h，作為飽水試樣。板巖試樣分2組，每組5個試樣，每個層理角度對應3個試樣。在實驗過程中，采用載荷控制法，加載速率為0.1 kN/s。干燥和飽水狀態下不同層理板巖的巴西劈裂試驗破壞形式見 圖3。

圖1 板巖圓柱試樣

表1 板巖基本力學性質

注：為層理角度；max為單軸最大載荷；a為彈性模量；為泊松比；c為抗壓強度。

1—承壓板；2—板巖試樣；3—墊條。

(a) 干燥試樣，層理角度為0°；(b) 干燥試樣，層理角度為30°；(c) 干燥試樣，層理角度為45°；(d) 干燥試樣，層理角度為60°；(e) 干燥試樣，層理角度為90°；(f) 飽水試樣，層理角度為0°；(g) 飽水試樣，層理角度為30°；(h) 飽水試樣，層理角度為45°；(i) 飽水試樣，層理角度為60°；(j) 飽水試樣，層理角度為90°

1.3 試驗原理

根據彈性力學，巴西劈裂試驗中圓盤內任意1點(，)的受力情況[16]如圖4所示(其中，1和2為圓盤任意一點到上、下端點的距離；1和2為和與縱軸的夾角)。

沿圓盤試樣直徑方向施加線性載荷，在圓盤中心處點處，有120.5，120。所以，根據式(1)和(2)可以得出

其中：為板巖的抗拉強度；為最小主應力；為板巖試樣斷裂時所施加的最大載荷；板巖試樣直徑；為板巖試樣的厚度；π為圓周率。板巖試樣在加載的過程中不斷地蓄積力量，直到試樣破壞為止。在此過程中，蓄積的能量可以通過荷載?豎向位移圖形的面積確定[17]：

其中：G為某一時刻的吸收能；P為該時刻的豎直方向加載的載荷；u為該時刻的豎直方向壓縮的位移。

為了消除板巖試樣尺寸產生的差異，采用單位破裂面積積累的能量，其公式為

其中：為峰值能率；max為總的吸收能；和分別為板巖試樣的直徑及高度。

2 巴西劈裂實驗結果及能量分析

2.1 吸收能演化分析

巖石在加載過程中，會伴隨著能量的吸收和釋放。通過式(5)對實驗數據進行處理，得到干燥和飽水狀態下，不同載荷比時各層理角度板巖試樣的吸收能變化曲線見圖5和圖6。從圖5可以看出：在軸向載荷比達到30%之前，吸收能的增長速率較緩慢，這是因為在開始加載的階段，板巖試樣內部存在間隙，這時變形處在壓密階段；當軸向載荷比為30%~80%時，吸收能的增長速率變大；當軸向載荷比達到80%后，吸收能的增長速率趨于穩定，表明在這階段，試樣處在能量吸收和釋放的平衡狀態中，直到試樣破壞。從圖5和圖6還可以看出：在這2種狀態下，不同層理角度板巖試樣吸收能的增長速率具有各向異性，吸收能的增長速率隨著層理角度的增大而減小。因為吸收的增長速率反映了加載過程中試樣變形的劇烈程度，說明隨著層理角度增大，板巖變形的劇烈程度降低。

層理角度θ/(°)：1—0；2—30；3—45；4—60；5—90。

層理角度θ/(°)：1—0；2—30；3—45；4—60；5—90。

2.2 板巖的峰值能率和峰值載荷與層理角度的關系

不同層理角度板巖試樣峰值能率隨層理角度的變化趨勢如圖7所示。從圖7可以看出：在干燥和飽水狀態下，不同層理板巖試樣的峰值能率呈現相同的變化趨勢；隨著層理角度增大，峰值能率減小。這是因為在巴西劈裂過程中，隨著層理角度增大，板巖試樣破壞由純拉伸破壞向純剪切破壞變化。在這2種狀態下，對于同層理角度的板巖，干燥狀態的峰值能率比飽水狀態的大。干燥狀態下的峰值能率一般為飽水狀態下的1.4~1.9倍，其主要原因是水對板巖試樣的內部結構面產生了潤滑作用，使其黏聚力降低，從而產生了軟化作用。

1—干燥試樣；2—飽水試樣。

峰值載荷表示試件破壞時施加的最大載荷，如表2和圖8所示。從表2和圖8可以看出：在不同層理角度下，板巖試樣破壞時的峰值載荷存在各向異性；隨著層理角度增大，峰值載荷減小；在同層理角度下，飽水狀態下的峰值載荷小于干燥狀態下的峰值載荷。

為了能夠定量地描述層理角度對峰值能率和峰值載荷的影響，定義不同層理角度下的層理效應系數，即不同層理角度的板巖試樣的力學參數與層理角度為0°時的參數相比的降低幅度[11]。

1—干燥試樣；2—飽水試樣。

表2 巴西劈裂試驗能量分析結果

利用式(7)對實驗結果進行處理，得到在干燥和飽水狀態下，不同層理角度板巖試樣的能量參數的層理系數，見表3。其中，w為峰值能率的層理效應系數，p為峰值載荷的層理效應系數。

從表3可以得出：在干燥狀態下，峰值能率和峰值載荷的層理效應系數范圍分別為0~0.64和0~0.62；在飽水狀態下，其層理效應系數范圍分別為0~0.50和0~0.64；當=90°時，w和p最大，表明此時的層理效應最明顯。且隨著層理角度的增大，層理效應系數增大。

表3 板巖的能量參數平均層理效應系數

2.3 降低系數

為了能夠定量分析飽水對板巖試樣的峰值能率和峰值載荷的影響程度，將飽水狀態下試樣巴西劈裂實驗的能量參數平均值與干燥狀態下試樣的能量參數平均值的比值稱為能量參數的降低系數，板巖能量參數的降低系數如表4所示(其中，w為峰值能率的降低系數，p為峰值載荷的降低系數)。

板巖試樣的能量參數的降低系數越小，表明對巖石的軟化作用越強。從表4可以看出：峰值能率的降低系數w為0.52~0.74。峰值載荷的降低系數p為0.48~0.68。因為峰值能率和峰值載荷分別表示破壞時所需的能量和最大載荷，可以得出水對板巖試樣具有軟化作用，表現為讓其破壞所需的能量和載荷明顯降低。

表4 板巖能量參數的降低系數

2.4 峰值能率與抗拉強度的關系

在板巖試樣巴西劈裂試驗過程中，隨著加載試樣兩側的拉應力增大，積累的能量也增大，因此，板巖試樣的抗拉強度與峰值能率存在著一定關系。將實驗得到的抗拉強度與峰值能率進行擬合，結果如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出：在干燥和飽水狀態下，板巖試樣的抗拉強度與峰值能率呈現較強線性關系。在這2種狀態下，板巖試樣的峰值能率隨著抗拉強度的增大而增大，這說明板巖試樣的抗拉強度越大，使其破壞所需的能量則越多。反之，抗拉強度越小，使其破壞所需的能量則越少。

圖9 干燥狀態下板巖抗拉強度與峰值能率的關系

圖10 飽水狀態下板巖抗拉強度與峰值能率的關系

3 結論

1) 板巖的吸收能隨軸向載荷比增大呈非線性增大，且不同層理角度的試樣吸收能增大速率不同，試樣吸收能隨層理角度的增大而減小。

2) 不同層理角度的板巖峰值能率和峰值載荷具有明顯的各向異性特征，隨著層理角度的增大而減小，且當=90°時，層理效應最明顯。

3) 板巖在飽水狀態下峰值能率和峰值載荷均比干燥狀態下的低，即在同樣條件下，干燥狀態下巖石抵抗破壞能力更強。

4) 在干燥和飽水這2種狀態下，板巖的峰值能率與抗拉強度呈現較強的線性關系，峰值能率隨著抗拉強度的增大而增大。這說明板巖試樣的抗拉強度越大，使其破壞所需的能量則越多。

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(編輯 陳燦華)

Energy research on slates with bedding structure under Brazilian splitting tests in dry and saturated condition

ZHU Sichen, LI Jiangteng

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the different bedding orientations’ slates of mechanical properties and energy characteristics in dry and saturated condition, five beddings of cylindrical specimen slate in Brazil splitting test were selected, and the law of energy characteristics was obtained. The results show that the absorbed energy grows nonlinearly with the increase of load and the growth rate decreases with the increase of the angle of bedding. The anisotropic characteristics of the peak energy rate and the peak load are highly distinct, and they decrease with the increase of the angle of bedding. The most obvious effect of stratification is found at the angle of=90°. Different reducing influences of the peak energy rate and the peak load of slates are found after reaching water-saturated state, reduction coefficient ofwis 0.52?0.74 and the reduction coefficient ofpis 0.48?0.68In two states, the peak energy rate and tensile strength of slate show a strong linear relationship, and the peak rate of slate increases with the increase of tensile strength.

bedding angle; slate; Brazilian splitting test; peak energy rate; peak load

TU452

A

1672?7207(2018)08?2024?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.08.024

2017?10?12；

2017?12?12

國家自然科學基金資助項目(51374246，51304240，51404309)；湖南省水利廳科技項目(30227)(Projects(51374246, 51304240, 51404309) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(30227) supported by the Science and Technology of Department of Water Resources of Hunan Province)

李江騰，教授，博士生導師，從事巖石力學理論研究；E-mail：ljtcsu@163.com