紅砂巖壓、拉力學性質對比

莫正

（湖南交通國際經濟工程合作有限公司，湖南 長沙410000）

1 概述

在巖石邊坡工程、巖石地下洞室工程和巖石基礎工程中，巖石處于受拉狀態或者受壓狀態，或者壓、拉同時作用狀態都是十分常見的。因此，巖石壓拉、力學性質研究具有重要的工程應用價值，一直是巖石工程領域的研究熱點。與金屬可被看作均質材料不同，巖石是由各種礦物成分組成的非均質體，天然存在顯著的缺陷[1,2]，其抗拉與抗壓力學性質會明顯不同[3-5]。巖石的組成礦物成分和內部結構都對其力學性質產生決定性影響。通常情況下，不僅不同種類巖石的力學性質不同，即便是同一種類的巖石，其力學性質仍然會不同[1,2]。例如，砂巖和花崗巖力學性質不同。低孔隙度砂巖和高孔隙度砂巖的力學性質也不同。因此，通過工程經驗類比并不能精確地獲取巖石力學性質信息。巖石力學性質通常采用室內試驗和現場試驗獲取，其中室內試驗是最主要的方法。巖石力學性質的室內試驗包括抗壓試驗[6,7]、抗剪試驗[8,9]和抗拉試驗[10,11]。研究巖石壓、拉力學性質需要開展抗壓試驗和抗拉試驗。巖石單軸抗壓試驗是最常用的抗壓試驗。相比抗壓試驗，抗拉試驗特別是直接拉伸試驗所需滿足的條件多且復雜[12,13]。目前抗拉試驗多為巴西劈裂試驗，屬于間接拉伸試驗?，F有研究表明，由巴西劈裂試驗獲得的抗拉強度和由單軸直接拉伸試驗獲得的抗拉強度之間有一定的差距[11,14,15]。因此，要精確獲得巖石的抗拉力學性質需要通過直接拉伸試驗。常用的直接拉伸試驗為單軸直接拉伸試驗，試樣外觀為“狗骨頭”[13,16,17]。單軸直接拉伸試驗通常利用專門的夾具夾住試樣兩端或者利用高強度樹脂將試樣兩端固定在拉頭上，再沿試樣軸向施加拉力[15,16]。

紅砂巖在巖石工程建設中比較常見，廣泛分布于我國的四川、云南、湖南和山東等地。紅砂巖構造較復雜，有泥狀膠結構造，有粒狀碎屑構造，崩解性強的通常為軟巖～較軟巖，崩解性弱或者無崩解性的通常為硬巖。硬質紅砂巖方便進行試樣加工，本文研究主要針對這類紅砂巖。對紅砂巖開展單軸抗壓試驗和單軸直接拉伸試驗，利用試驗獲得紅砂巖的抗壓與抗拉力學特性，通過試驗結果對比分析揭示紅砂巖壓、拉力學特性的不同，為紅砂巖工程力學性質研究提供參考。

2 紅砂巖單軸抗壓試驗和單軸抗拉試驗

2.1 試驗儀器。單軸抗壓試驗的試驗儀器為全數字控制電液伺服多功能試驗機RMT-150B。試驗機軸向輸出最大壓力為1000kN。

單軸抗拉(直接拉伸)試驗的試驗儀器為Instron 萬能材料試驗機，屬于靜態液壓試驗機。試驗機軸向輸出最大拉力為100kN，利用配套夾具可以開展單軸直接拉伸試驗。

2.2 試樣。試樣為紅砂巖，取自四川省宜賓市。天然密度為2402～2531kg/m3，細粒碎屑結構，孔隙度為11.2%～26.2%，縱波波速為3520～4214m/s，無崩解性。

單軸抗壓試驗的試樣為圓柱體，高為10cm，直徑為5cm。單軸抗拉試驗的試樣通過加工得到，形式為“狗骨頭”狀。“狗骨頭”中間直徑為5cm，兩端拓寬為8cm。利用自由浸水法制作飽和試樣。

2.3 加載。利用RMT-150C 多功能試驗機對圓柱試樣開展單軸抗壓試驗，軸向加載采用應變控制模式，加載應變率為3×10-5s-1。利用Instron 萬能材料試驗機和配套夾具對“狗骨頭”試樣開展單軸直接拉伸試驗，加載速率為1.0kN/s。單軸抗壓和單軸抗拉試驗的加載示意圖分別見圖1 和圖2。由試驗分別得到壓、拉條件下的軸向應力與軸向應變關系曲線、強度和彈性模量等。

圖1 單軸抗壓試驗加載示意圖

圖2 單軸抗拉試驗加載示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 應力～應變關系分析。設軸向壓、拉應力分別為σc和σt，軸向壓、拉應變為εc和εt。壓應力值為正，拉應力值為負。軸向壓應力σc與軸向壓應變εc之間關系曲線σc～εc、軸向拉應力σt與軸向拉應變εt之間關系曲線σt～εt分別見圖3 和圖4。

圖4 軸向拉應力與軸向拉應變關系曲線

圖3 軸向壓應力與軸向壓應變關系曲線

從圖3 看出，σc～εc曲線主要經歷了4 個階段：OA 非線性遞增階段、AB 線性遞增階段、BC 非線性遞增階段和CD 遞減階段。其中，OA 非線性遞增階段屬于壓密階段。紅砂巖試樣內部具有孔隙結構，因此，在外力加載初始，孔隙在擠壓作用下逐漸被壓密，此時軸向的應變增長比應力慢，曲線為上凹狀。隨著孔隙被壓密到一定程度，應變速率追上應力速率，應力～應變關系變成線性遞增關系，為彈性關系，如AB 段。隨著加載繼續發展，在擠壓過程中，巖石內局部的應力超過強度，導致局部出現微裂紋，即局部微裂萌生。微裂擴展需要克服巖石礦物顆粒之間的粘結力和礦物顆粒之間由擠壓引起的摩擦力。微裂隨加載發生擴展，使得巖石內部儲存的彈性應變能緩慢釋放，表現為應力增長速率緩慢下降，此時應力～應變曲線關系為非線性遞增，屬于微裂紋擴展階段呈上凸狀，如BC段。當應力達到峰值點C 后，微裂紋匯聚成宏觀裂紋，此時，應力不再隨著應變增加而增大，反而隨著應變增加而快速下跌，表現出應變軟化現象，如CD 段，該階段屬于宏觀裂紋擴展階段。

從圖4 看出，σt～εt主要經歷了3 個階段：線性遞增階段O’A’、非線性遞增階段A’C’和非線性遞減階段C’D’，其中O’C’為線彈性階段。C’D’為宏觀裂紋擴展階段，表現出應變軟化現象。A’C’為微裂萌生、擴展階段。和壓力作用下存在孔隙壓密階段不同，在拉力加載初始，拉應力和拉應變就呈線性遞增關系，如O’A 段。隨著加載繼續發展，巖石內部局部微裂紋開始萌生并快速釋放應變能，從微裂紋萌生到宏觀裂紋出現這一過程很短，如A’C’段所示，該段的應變區間長度只有5×10-5，因此，拉應力作用下微裂紋萌生、擴展階段并不顯著，該階段主要克服巖石礦物顆粒之間的粘結力。到達應力峰值點后，拉應力快速下降，如C’D’段。

對比圖3 和圖4 可知，相比軸向壓應力與軸向壓應變關系曲線，軸向拉應力與軸向拉應變關系曲線沒有壓密階段，微裂紋擴展階段也不明顯，峰值后曲線下跌速度更快下跌。相同之處在于，兩種曲線都明顯存在線彈性階段和應變軟化階段。究其原因主要在于巖石抗拉和抗壓的變形破壞機制不同。相比抗拉條件，抗壓條件下巖石空隙會顯著壓縮，同時巖石礦物顆粒間、缺結構面間會產生顯著擠壓摩擦效應，擠壓摩擦效應會顯著消耗外力加載產生的變形能，增強巖石存儲變形能的能力，因此擠壓摩擦效應會顯著提高巖石抵抗變形破壞的性能，表現為巖石抗壓性能遠強于抗拉性能。

3.2 壓、拉強度對比。設單軸抗壓強度為Yc，單軸抗拉強度為Yt，根據圖3 和圖4，單軸抗壓強度和單軸抗拉強度的試驗結果見表1。根據表1，單軸抗壓強度Yc為58.5MPa，單軸抗拉強度Yt為4.2MPa，壓、拉力強度之比為13.9:1?？梢?，單軸抗壓強度大約是單軸抗拉強度的13.9 倍，即紅砂巖單軸抗壓強度遠大于其單軸抗拉強度。

表1 壓、拉強度對比

由前面的應力與應變關系分析可知，巖石單軸抗壓和抗拉的變形破壞機制不同。相比單軸抗拉條件，單軸抗壓條件下巖石內部微裂萌生、擴展需要克服很大的擠壓摩擦力。單軸抗壓主要發生壓剪破壞，而單軸抗拉主要發生拉斷破壞。拉斷破壞比壓剪破壞受到的束縛小。因此，單軸抗壓條件下巖石達到峰值應力所需吸收的應變能遠大于單軸抗拉條件。單軸抗壓條件下巖石承載性能遠超單軸抗拉條件，表現為單軸抗壓強度遠大于其抗拉強度。

3.3 強度所對應的應變的對比。設單軸抗壓和抗拉條件下強度對應的應變分別為εc和εt，它們分別是圖3 和圖4 中所示點C和C’對應的應變值。根據圖3 和圖4，εc和εt的試驗結果見表2。根據表2，εc=2.3×10-3，εt=-1.9×10-4，εc與εt的絕對值之比為12.1：1，可見，εc的絕對值遠大于εt的絕對值。由于巖石為脆性材料，強度所對應的應變的絕對值反映了脆性的顯著性，該數值越小，巖石脆性越顯著，因此，紅砂巖單軸抗拉條件下的脆性遠比單軸抗壓條件下的顯著。

表2 壓、拉強度對應的應變對比

3.4 壓、拉彈性模量對比。設單軸抗壓和抗拉條件下的彈性模量分別為Ec和Et。根據圖3 和圖4，Ec和Et的試驗結果見表2。根據表2，單軸抗壓彈性模量Ec為30.4 GPa，單軸抗拉彈性模量Et為24.3 GPa，壓、拉彈性模量之比為1.3:1，可見，單軸抗壓彈性模量是抗拉彈性模量的1.3 倍。究其原因在于，相比單軸抗拉條件，單軸抗壓條件下巖石的應力與應變關系多了孔隙壓密階段，如圖3 中的OA 段所示，壓密階段巖石變得密實，抵抗變形的能力增強，因此，抗壓彈性模量比抗拉彈性模量大。

對比表1 所示的強度試驗結果，可知，抗壓條件下彈性模量雖然比抗拉條件的大，但這種差距不如強度的差距大。巖石彈性模量主要和空隙率相關，相比抗拉條件，抗壓條件下巖石空隙被擠壓，使得抗壓條件下巖石比抗拉條件下密實，因此，巖石抗壓彈性模量比抗拉彈性模量大，但是由于巖石內部空隙是有限的，因此，巖石抗壓彈性模量和抗拉彈性模量之間的差距不如強度之間的差距大。

表3 壓、拉彈性模量對比

4 結論

利用單軸抗壓試驗和單軸直接拉伸試驗分別研究紅砂巖的抗壓和抗拉力學特性，通過對比和分析壓、拉條件下的應力～應變關系、強度和彈性模量，得到以下結論：

4.1 單軸抗壓和單軸抗拉條件下，紅砂巖的應力～應變關系曲線均有明顯的線彈性階段和應變軟化階段。單軸抗壓應力～應變關系曲線還有明顯的壓密段和峰值應力前的非線性遞增階段。

4.2 紅砂巖單軸抗壓強度遠大于單軸抗拉強度，前者約是后者的13.9 倍；單軸抗拉條件下紅砂巖的脆性遠比單軸抗壓條件下顯著，單軸抗壓強度所對應應變的絕對值大約是單軸抗拉所對應值的12.1 倍。

4.3 相對強度對比結果而言，紅砂巖單軸抗壓彈性模量和單軸抗拉彈性模量之間相差不大，前者大約是后者的1.3 倍。