岩石试样围压下直接拉伸试验

2 5 6 河南理工大学学报 (自然科学版) 2006 年第 25 卷
曾利用不同中心角平台圆盘的劈裂试验研究压应力对拉伸强度的影响 , 因试验结果离散而无结果. 文 献[ 11 ]就压应力状态说明了岩石破坏与载荷 、变形的关系 , 而在拉应力状态下尚缺少试验结果. 鉴于 上述问题 , 本文设计了一个简单的试验装置 , 在伺服试验机上进行围压下圆柱试样的直接拉伸试验.
(2)
是在岩石内存在穿透型裂纹的平面问题假设下 , 以裂纹尖端受拉失稳得到的[7 ] , 与岩石的实际情况
并不完全相符. 其压应力区域以及确定的单轴抗压强度 8 T0 ( T0 为单轴抗拉强度) , 与室内岩样试验
结果不符. 如前所述 , 基于局部微元体的力学分析不可能与宏观岩样的试验结果一致.
利用 Griffit h 准则计算各种圆盘试样的劈裂强度时[8Ο10 ] , 所产生的误差没有明确结论. 文献 [ 10 ]
式. 就剪切破坏而言 , 裂隙面不仅可以承载正应力 , 而且可以通过摩擦力承载剪应力 , 在围压较高时
摩擦承载能力可以超过材料的粘结力. 岩石试样常规三轴压应力下多是剪切破坏. 另一方面 , 颗粒之
间产生拉伸破坏之后将相互分离不能承载. 而岩石是非均质材料 , 各处强度不等 , 粘结强度较低的颗
粒间先发生破坏 , 使其周围颗粒承载加大 , 超过试样承载的名义载荷或平均载荷 , 易于破坏. 这是岩
3 试验结果
本文对钾质花岗岩 、花 岗岩 、片麻岩和大理岩 4 种 材料进行了围压下直接拉伸 试验 , 所用材料无明显缺 陷. 试验前对 3 个圆柱试样 进行了单轴压缩试验 , 得到 杨氏模量 、泊松比和强度 ; 对圆盘试样进行了巴西劈裂
表 1 试验用 4 种岩石的单轴压缩参数和巴西劈裂强度 Tab. 1 Uniaxial compression parameter and Brazilian tensile strengt h of rocks
mm , 为拉头小径 (试样直径) .
需要说明的是 , 目前液压系统管路多采用自锁的快
速接头. 对图 1 所示系统 , 岩样破裂引起缸筒内压力突
然降低 , 有时会锁闭进液口的快速接头 , 无法判断岩样
断裂时的围压. 因而本次试验拆除了所有自锁功能的接头.
2 试验现象
岩样端面与侧面 (轴向) 的垂直度对直接拉伸试验的影响最大. 当垂直度产生 0. 5°的偏差时 , 两端面在水平方向的最大偏差将达到 0. 9 mm . 试验前对所有岩样进行实际测量 , 垂直度偏差以 0. 5° 为上限 , 超过该值则重新磨削岩样端面.
第 25 卷第 2006 年 8
4期 月
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河南理 OF HENAN
工大学学报
POL YTECHN IC UN IV ERSIT Y
Vol. 25 No. 4 Aug. 2006
岩石试样围压下直接拉伸试验
尤明庆 , 周少统 , 苏承东
(河南理工大学 能源科学与工程学院 , 河南 焦作 454003)
起应力集中 , 似乎难以实际应用. 目前对岩石的抗压强度研究较多 , 而应力状态对拉伸强度的影响论
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述很少. Murrell 准则 、DruckerΟPrager 准则等尽管含有拉伸应力 , 但在拉伸应力区域具有明显的欠
缺 , 并无实际应用价值[5 ] . 由于直接拉伸试验的困难 , 实验室多对圆盘试样进行径向压缩的劈裂试
破坏 , 试 验 程 序 是 , 先 加 围 压 p 使 岩样达到拉伸应力
3 MPa , 保持围压恒定增加轴向载荷 F , 使岩样达到压
应力 3 MPa ; 再保持轴向载荷恒定增加围压 p , 然后增
加轴向载荷 F ; 直至达到预定值 ; 图 2 中轴向荷载 、
围压保持常数的时间段 , 如 T1 ～ T2 是手动调整加载 参数的过程. 最后保持 F 恒定增加围压 P 使岩样破坏.
关 键 词 : 岩石力学 ; 直接拉伸试验 ; 围压 ; 强度准则 中图分类号 : TU 458 + . 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1007Ο7332 (2006) 04Ο0255Ο07
0 引 言
岩石是矿物颗粒的集合体. 就颗粒之间的空间关系而言 , 应该只有剪切破坏和拉伸破坏 2 种模
收稿日期 : 2006Ο08Ο01 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (10572047) 作者简介 : 尤明庆 (1964Ο) , 男 , 江苏兴化人 , 博士 , 教授 , 从事岩石力学方面的教学研究工作. EΟmail : youmq @hpu. edu. cn
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片麻岩
59. 5 0. 224 278. 1 9. 22 8. 51 8. 36 8. 17 6. 10
细晶大理岩 28. 1 0. 345 52. 5 3. 78 3. 35 2. 71 2. 64 2. 18 2. 17
试验 , 如表 1.
图 4 是钾质花岗岩 <50 mm ×100 mm 圆柱岩样不同围压下承载的拉伸强度 , 如前所述 , 该种岩石 是最先试验的 , 由于缺乏经验 , 失误较多. 总计 24 个试样中 , 明显失误的有 13 个之多 , 以粘结层和 岩石颗粒混合破断为主体 , 粘结层断裂面积所占比例随岩样而不同 ; 其次是试验机控制程序不能正常
实际测量拉头之间距离与岩样的长度 , 可以确认粘结 层的厚度为0. 1～0. 15 mm ; 而岩样端面的不平整度可以 达到 0. 05 mm 或稍大. 显然胶水较厚处载荷较小 , 而粘 结层较薄处载荷较大 , 岩样端部拉应力是不均匀的. 不 过 , 对于具有较大颗粒的岩石试样 , 不均匀应力的作用会 得到削弱.
上述现象主要出现在试验初期. 通过更加仔细粘结 、包裹岩样 , 关闭计算机中无关的自动运行程 序 , 并控制加载过程中试样承载的压应力数值 (最大 3 MPa) , 试样拉伸强度明显偏低的情形有所减 少 , 但并不可能完全避免.
围压下岩样拉伸破坏都是垂直于岩样轴线的平面断裂 , 即与拉伸应力垂直 , 但断裂面局部依据矿 物颗粒而起伏不平 , 各个方向都有. 断裂面多数距某一端面 6 mm 之内 , 仅有 12 个例外 , 主要是颗 粒较大的花岗岩试样. 作者目前的认识是 : 岩样端面不平整使得粘结层厚度发生显著变化引起加载不 均匀 , 使得岩样断裂靠近端部 ; 而岩样端部磨削加工引起的材料损伤不足以引起这种结果.
石试样拉伸强度明显偏低的原因. 据此也可以知道 , 基于局部颗粒构建的拉伸破坏概念及强度准则与
宏观岩样并不完全一致.
已有的岩石试样直接拉伸结果多是单向拉伸[1Ο3 ] , 数量有限 ; 使用液压拉伸 “狗骨”形状的试
样[4 ] , 制备试样也较为困难 , 且试样并不承载均匀应力 ; 密封处承受剪切应力 , 局部的不平整会引
摘要 : 圆盘试样巴西劈裂是在拉压应力联合作用下破裂的 , Griffit h 准则认为压应力小于 3 倍抗拉强度则对岩石拉伸破坏没有影响 , 这些问题都需要直接的试验验证. 在 <50 mm ×100 mm 试样两端粘结 <80 mm 的拉头 , 置入液压缸中施加围压 , 拉头承受轴向载荷引起岩样拉 伸 ; 同时利用伺服试验机对拉头施加轴向压缩载荷 , 平衡其承受的部分拉伸载荷. 通过改变 轴向压缩载荷的数值 , 就可以得到不同围压下岩样的拉伸强度. 尽管试验结果具有相当的离 散性 , 但完全可以确认岩样拉伸强度随围压增大而减小 , 巴西劈裂强度低于岩石单向拉伸强 度. 岩石在压拉应力作用下发生的拉伸破坏可以利用应力之间的线性关系描述.
图 3 是 2 个 <37 mm ×74 mm 的粘结物圆柱单轴压缩 得到的应力应变曲线 , 具有较好的线性变形特征. 杨氏模 量 EG = 2. 1 GPa . 岩石和拉头的刚性远大于粘结层 , 试 验过程中岩样端面和拉头端面的变形差异较小 , 或者说粘 结层的拉伸变形Δl 随平面位置变化不大. 如果不考虑粘 结层内的剪切作用 , 粘结层内拉应力为 EGΔl/ δ , δ为粘 结层厚度 , 随位置变化.
试样粘结前均进行仔细清洗 , 对拉头用砂布手工打磨以增加粗糙度 , 但仍有部分试验出现粘结层 断裂 , 断裂面积在 15 %～50 %不等 , 得到的拉伸强度数值偏低. 由于试验机没有比例加载功能 , 必 须对试样进行多次加载才能达到岩样高围压下破坏所需的轴向载荷 , 在此过程中岩样要承载交变的 压 、拉应力. 有时岩样最终破坏的拉应力低于曾经承载的拉应力数值 , 其原因可能是岩石在多次交变
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第 4 期 尤明庆等 : 岩石试样围压下直接拉伸试验
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应力作用下逐步产生破坏 ; 另一种可能是 , 高压油挤裂包裹岩样的乳胶套 , 继而进入岩石颗粒之间引 起张拉破坏 , 在加载过程中没有突发的破裂现象 , 试验机活塞行程持续减小. 尽管对试样两端的粘结 外缘进行了修整 , 但乳胶套破裂难以完全避免. 此外 , 试验机操作失误也降低了试验的成功率 , 计算 机内部病毒实时监控程序的运行有时会影响加载程序的正常执行.
验 , 基于弹性力学分析 , 得到圆盘加载轴线上受均匀拉应力 , 认为岩石的抗拉强度较低 , 圆盘的破裂
意味着岩石受拉破坏[6 ] .
二维的 Griffit h 准则
σ1 + 3σ3 ≥0 , (σ1 - σ3) 2 = 8 T0 (σ1 + σ3) ,
(1)
σ1 + 3σ3 ≤0 , σ3 = - T0
当试样拉伸破坏时 , 液压油进入破裂面 , 使试验机轴向
载荷 F 突然增大 , 而轴向行程减小.
岩样在围压 p 、轴向载荷 F 下断裂时 , 岩样的拉
伸强度为
T
=
pπ( D2 - d2) / 4 πd2/ 4
F,
(3)
式中 , D = 80 mm , 为拉头大径 (缸筒内径) ; d = 50
岩 石 杨 氏 模 泊松比 强度/
巴西劈裂强度/ MPa
量 E/ GPa ν
M Pa
1
2
3
4
5
6
钾质花岗岩 50. 6 0. 284 272. 4 ( 7. 53～14. 99 ,共 14 个试样 ,平均值为 11. 26 )
花岗岩
48. 4 0. 297 206. 6 8. 78 8. 28 8. 16 7. 88 7. 21 6. 52
垂直度亦需进行测量 , 质量较差者重新进行磨削 , 才能
使上拉头与岩样平稳粘结. 最后取出试样用乳胶套和 O
型圈封闭岩样.
试验的控制参数是轴向荷载 F , F 增大岩样破坏时
的围压 P 增大. 只要改变 F 就可以得到不同围压下的
岩样的抗拉强度. 由于所用试验机没有比例加载功能 ,
只能逐次 、分别增加轴压和围压. 为了防止粘结层受压
粘结层厚度变化产生显著的非均匀加载现象 , 使得试样端部部分颗粒承载大于试样名义应力而率 先破坏 , 附近颗粒就会承载更高的载荷 , 易于破坏. 因而式 (3) 得到的 T 值小于岩样真实的抗拉强 度. 换句话说 , 利用粘结拉头的直接拉伸方式得到的岩石抗拉强度都会低于真实值. 当然 , 实验室测 得的其它岩石力学参数同样是岩石试样 、试验装置和加载方式或试验程序共同作用的结果 , 并不完全 等同于岩石的力学性质.
1 试验装置和程序
围压下直接拉伸的试验装置如图 1 所示. <50 mm
×100 mm 的标准试样 4 利用 GZHΟ50Ο1A 胶 3 与下拉头
7 粘结 ; 固结后从上方置入乳胶套 5 和 O 型圈 2 ; 然后
将其放入缸筒再粘结上拉头 , 以确保两拉头与缸筒之间
的配合精度. 此外 , 岩样两端面的平行度以及与轴线的