岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究

岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究!
窦庆峰1，岳 顺2，代高飞3
（1 . 山东潍坊学院，潍坊，261061；2 . 重庆市交通委员会，重庆，401147； 3 . 同济大学地下建筑与工程系，上海，200092）
摘 要：由于岩石抗拉能力低，在很多情况下，岩体工程的破坏是从岩石局部受拉破坏开 始。采用直接拉伸法和劈裂法，在 INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料试验机和 CSS - 44000 电子万能试验机上，分别对花岗岩、砂岩和泥岩进行了抗拉强度试验。试验证实了直接拉伸法 较劈裂法优越，直接拉伸试验试件中受拉裂缝的扩展是试件产生非弹性应变最直接的原因。
! 收稿日期：2003-12-1（1 修改稿） 作者简介：窦庆峰（1965-），女，山东人，讲师，主要从事岩土工程方面的研究工作。 基金项目：高等学校重点实验室访问学者基金资助；中国博士后科学基金资助项目。
2004 年第 2 期
窦庆峰等：岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究
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砂岩 10 13.03 5.55 7.61 2.0102
1345 液压伺服刚性材料试验机能得到岩石试件的
泥岩 8
6.83 3.65 6.07 1.1033
应力应变全过程曲线，同时可以测出岩样的残余强
度，这对工程应用是非常重要的。而 CSS - 44000
INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料
时的应力状态不同，但其破坏面均与拉应力垂直，
即岩石是受拉破坏。
!." 试验结果
从表 3 可以看出，在 CSS - 44000 电子万能试
验机上进行的劈裂试验中，砂岩峰值强度的均方根
值较泥岩大，比较表 4，在 INSTRON - 1345 液压伺
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地下空间
第 24 卷
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关键词：抗拉强度；直接拉伸法；劈裂法；裂缝
中图分类号：TD313 . 3；TU458 + . 3
文献标识码：A
! 引言
在地下工程设计和施工中，岩石的抗拉强度是 一个非 常 重 要 的 力 学 指 标［1，2］。 地 下 工 程 围 岩 体 常处于复杂的应力状态，有的部位则处于压缩应力 状态，有的地方处于拉伸应力状态，由于岩石的抗 拉强度远低于抗压强度，所以围岩总是从拉应力区 开始破坏。因此，正确进行地下围岩体应力状态区 域划分，即破坏危险区的确定是地下工程围岩稳定 性分析评价的关键，而岩石抗拉强度又是确定工程 围岩破坏区的基础资料之一［2，3］。目前，岩石抗拉 强度的室内测定方法较多，这些方法各有特点，本 文采用直接拉伸法和劈裂法，在 INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料试验机和 CSS - 44000 电子万能 试验机上，对花岗岩、砂岩和泥岩进行了抗拉强度 试验。在对各种试验结果进行分析和比较的基础 上，分析了岩石抗拉强度试验方法的特点。
最大值 最小值 平均值
砂岩 10 14 . 78 2 . 29 7 . 639 3 . 2496
泥岩 10 15.09 1.32 8.17 2.5287
!.! 圆盘劈裂法试验
圆盘劈裂试验亦称巴西试验（Brazilian test），将
经加工的圆盘状试件，横置于压力机的承压板间，
并在试件 的 上、下 承 压 板 之 间 各 放 置 一 根 直 径 为
液压伺服刚性材料试验机相对 CSS - 44000 电子万 的离散性较大。
能试验机可靠。
从表 2 和表 4 可以看出，在 INSTRON - 1345 液
INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料
压伺服刚性材料试验机上进行劈裂试验得出的花
试验机直接拉伸试验参数表
表 2 岗岩试件的峰值强度为 8 . 74Mpa，是直接拉伸试验
服刚性材料试验机上对花岗岩进行劈裂试验得出 值强度范围为 0 . 66Mpa ~ 13 . 39Mpa，平均峰值强度
的峰值强度的均方根值最小。同时，在 INSTRON - 为 5 . 96Mpa。劈裂试验得出的泥岩峰值强度范围
1345 材料机得出的峰值强度均方根值和变形模量 为 3 . 65Mpa ~ 6 . 83Mpa，平均峰值强度为 6 . 07Mpa。
" 岩石试件的抗拉试验
".! 直接拉伸试验 为了进行岩石试样拉伸试验，自行设计了一个
压 ~ 拉转换器，通过该压 ~ 拉转换器可以将对压 ~
拉转换器的压力转换为对岩石试样的直接拉伸，使 岩样受拉破坏。岩石试样是用 504 高级万能粘结 剂安装在压 - 拉转换器的拉块上，再通过螺丝连接 在转换器中。由于拉块由钢材经机器精密加工而 成，且有试件定位槽，只要岩石试件用岩石双端面 磨光机加工，断面平整度符合试验规定的要求，就 能保证岩石试件在试验过程中的偏心在允许的误 差范围内。试验曲线则通过试验机所配备计算机 自动数据采集系统得到［4，5］。
岩和泥岩试件变形模量的均方根值较接近，它们的
极限应变均方根值相差也不大。总体而言，直接拉
伸试验的结果比较合适。同时，从表 2 可以看出，
在 INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料试验机上对
花岗岩进行直接拉伸试验得出的峰值强度和变形
模量均方根值均较小，说明伺服刚性材料试验机在
拉伸试验上比 CSS - 44000 电子万能试验机可靠。
D———岩样直径（mm）；
L———岩样厚度（mm）。
用 CSS - 44000 电子万能试验机对砂岩、泥岩
和 INSTRON - 1345 液压伺服刚性材料试验机对花
岗岩进行直接拉伸试验，试验参数见表 3 和表 4。
直接拉伸试验中试件处于单向拉伸应力状态，劈裂
试验中是压应力作用下的拉伸破坏，尽管试件破坏
线，如图 1 所示。
CSS - 44000 电子万能试验机直接拉伸试验参数表 表1
峰值强度（Mpa）
岩性 试件数
均方根差
最大值 最小值 平均值
砂岩 10 8 . 05 2 . 65 6 . 74 0 . 7792
泥岩 10 13 . 39 0 . 66 5 . 96 0 . 2544
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第 24 卷 第 2 期
地下空间
Vol. 24 No. 2
2004 年 6 月
UNDERGROUND SPACE
Jun. 2004
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文章编号：1001-831 X（2004）02-0178-04
CSS - 44000 电子万能试验机劈裂试验参数表 表 3
峰值强度（Mpa）
岩性 试件数
均方根差
最大值 最小值 平均值
验得出的峰值强度范围为 4Mpa 相近。 图 2 是分别用 INSTRON - 1345 液压伺服刚性
材料试验机和 CSS - 44000 电子万能试验机得出的 应力应变曲线。从图 2 可以看出，采用 INSTRON -
花岗岩 11 3.21 0.80 1.843 0.5533
从表 1 可以看出，在 CSS - 44000 电子万能试 验机上对砂岩进行直接拉伸试验得出的峰值强度 范围为 2 . 65Mpa ~ 8 . 05Mpa，平均峰值强度为6 . 74 Mpa。而在 CSS - 44000 电子万能试验机上对砂岩 进行劈裂试验得出的峰值强度范围为 5 . 55Mpa ~ 13 . 03Mpa，平均峰值强度为7 . 61Mpa。劈裂试验得 出的峰值强度范围较直接拉伸试验大 3 . 08Mpa，平 均峰值强度大 0 . 87Mpa，如表 3 所示。同时，劈裂 试验得出的峰值强度均方根值较直接拉伸试验大， 说明对砂岩进行抗拉参数测试时，直接拉伸试验较 劈裂试验优越。从表 1 和表 3 中同样可以看出，对 泥岩进行抗拉参数测试时，直接拉伸试验较劈裂试 验得出的数据理想。直接拉伸试验得出的泥岩峰
间隙引起的误差，试验前都先施加一定的（如几十
到几百牛顿）荷载进行预压，以调整接触间隙，然后
按规定的加载速率进行试验。试样采用圆柱体，试
样两端面不平行度最大不超过 0 . 05mm；断面应垂
直试样轴线，最大偏差不超过 0 . 25 度。试件安装
前，将其两端用丙酮清洗，干燥后用粘结剂安装在
压 ~ 拉转换器的拉块上，再通过螺丝安装在转换器
峰值强度（Mpa）
岩性 试件数
均方根差
最大值 最小值 平均值
峰值强度为 3 . 12Mpa 的 2 . 8 倍，且劈裂试验峰值强 度的均方根值比直接拉伸试验大 0 . 4114，进一步
花岗岩 7
10.0 6.2
8.74 0.9788
说明直接拉伸试验比劈裂试验适用。同时，劈裂试 验得出的峰值强度范围为 3 . 8Mpa，与直接拉伸试
电子万能试验机可以得出峰值强度以前的应力应
试验机劈裂试验参数表
表 4 变曲线。
峰值强度（Mpa）
岩性 试件数
均方根差
最大值 最小值 平均值
花岗岩 11
5.7
1.7
3.12 0.5674
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变形模量（Gpa）
岩性 试件数
均方根差源自文库
最大值 最小值 平均值
中。试件被拉断时的应力值即为岩石的单向抗拉
强度（简称抗拉强度），以!t 表示。 !t = P / F（pa）
式中：P———试件被拉断时的拉力（N）； F———试件横截面积（m2）。
（1）
在 CSS - 44000 电子万能试验机上分别对砂岩
和泥岩进行直接拉伸试验，其参数见表 1。用 IN-
STRON - 1345 液压伺服刚性材料试验机对花岗岩
由于岩石试件在试验过程中所受拉荷载是通 过转换器获得的，转换器受载后本身的变形必然对 岩石试验结果产生影响。即在计算机采集到的位 移中除了岩石本身的位移以外，还包含了转换器的 位移，这必须在试验成果整理时加以扣除。为了对 试验结果进行修正，通过对标准试件进行试验，修 正方法如下：在标准圆柱试件的荷载 ~ 位移曲线中 减去对相同荷载下钢柱压缩试验的荷载 ~ 位移曲 线上的位移值（在弹性范围内钢柱受压与受拉的荷 载 ~ 位移曲线是一致的），得到转换器本身的荷载 - 位移曲线，然后在岩石拉伸试验的荷载 ~ 位移曲 线中减去相同荷载下转换器本身的荷载 ~ 位移曲 线上的位移值，就是岩石试件的拉伸荷载 ~ 位移曲
进行劈裂试验，其参数见表 2。试验中采用球铰销
子自动调 整，使 转 换 器 中 拉 力 与 试 件 轴 线 保 持 重
合，这是试验成功的关键。从表 1 可以看出，就峰
值强度而言，泥岩的均方根值较砂岩大，泥岩的数
据相对砂岩并不理想，而砂岩试件的断裂面与受力
方向基本垂直，并发生在试件的均匀拉伸应力段，
表明岩石是在单向拉伸状态下破坏的。表 1 中砂
的均方根值很接近，而在 CSS - 44000 试验机上得 劈裂试验得出的平均峰值强度较直接拉伸试验大
出的峰值强度均方根值和变形模量的均方根值相 0 . 11Mpa，但劈裂试验得出的平均峰值强度的均方
差较大，进一步说明劈裂试验采用 INSTRON - 1345 根值较直接拉伸试验大 0 . 8489，这说明劈裂试验
变形模量（Gpa）
岩性 试件数
均方根差
最大值 最小值 平均值
图 1 岩样拉伸变形的计算
1 - 钢柱和转换器系统变形；2 - 岩样和转换 器系统变形；3 - 钢柱的变形；
4 =（1 - 3）：转换器的变形；5 = 2 - 4：岩样的变形。
由于转换器各部分联结时有不少接触间隙，
而且，其大小是随机的。为了尽量消除由随机接触
2mm 的硬质钢丝作为垫条，垫条须位于与试件垂
直的对称轴面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。然后加
载使试件受压，试件沿径向产生张拉破坏，以求其
抗拉强度。通过公式：
! = 2 P（/ !DL） 换算成岩样中心的拉应力。
（2）
式中：!———岩样抗拉强度（Mpa）； P———劈裂荷载值（ N）；
砂岩 10 0 . 964 0 . 259 0 . 410 0 . 1155
泥岩 10 0 . 641 0 . 136 0 . 3329 0 . 1483
变形模量：!I"50% 时的弹性模量，!I 为试件的峰值强度
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岩性 试件数
极限应变（"#）
均方根差