三種巖石巴西劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)對比研究

陳招軍，王樂華，金 晶，黃 強(qiáng)，龔家偉

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002;2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石力學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，是巖石力學(xué)響應(yīng)機(jī)制、本構(gòu)模型、數(shù)值模擬及工程設(shè)計(jì)與施工的重要基礎(chǔ)［1-2］。劉愷德等［3］在對煤巖進(jìn)行巴西劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，煤巖的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。喻勇等［4］對三峽花崗巖進(jìn)行了劈裂法和單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2/3試樣的彈性模量與劈裂模量的比值為16∶22。洪亮等［5］研究了花崗巖、砂巖、石灰?guī)r的動態(tài)強(qiáng)度及其應(yīng)變率靈敏性的尺寸效應(yīng)。W.F.Brace等［6-7］針對不同巖石的破裂過程進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出裂紋發(fā)展過程的應(yīng)力門檻值，即裂紋起始應(yīng)力和裂紋破壞應(yīng)力。張曉平等［8］研究了在不同加載條件下丹巴二云英片巖的應(yīng)力門檻值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)片狀單軸壓縮條件下的裂紋擴(kuò)展過程存在顯著的各向異性。王彥琪等［9］研究了煤、砂巖和水泥砂漿小試件(Ф50 mm×100 mm)在單軸壓縮條件下的破壞過程和破壞規(guī)律，并利用顯微CT系統(tǒng)對煤樣、水泥砂漿試件的單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了全程的實(shí)時監(jiān)測。余斐等［10］對大理巖、花崗巖和砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，運(yùn)用聲發(fā)射儀監(jiān)測巖石破壞過程中的聲發(fā)射活動。

由于不同巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)及膠結(jié)物成因各不同，巖石的物理力學(xué)特性千差萬別，各自在拉伸與壓縮條件下變形特性也不完全相同，破壞形式也有差別。目前，鮮有從巖石組成、成因的角度對強(qiáng)度差異較大的巖樣的變形特性進(jìn)行研究。為此，本文對取自雅礱江兩河口水電站壩址的砂板巖、三峽庫區(qū)的砂巖和宜昌城區(qū)附近的泥巖這3種力學(xué)特性相差較大的巖樣試件開展巴西劈裂和常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)，從變形過程、破壞模式、彈性模量和泊松比等進(jìn)行全面比較，分析3種巖樣組成成分和成因?qū)ψ冃翁卣骱推茐哪Ｊ降挠绊憽?/p>

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)中所采用的3種巖樣分別為砂板巖、砂巖、泥巖。其中，砂板巖取自雅礱江兩河口水電站壩肩邊坡，灰黑色，巖性致密，脆而堅(jiān)硬，含水率和孔隙率都較低，裂隙較發(fā)育，主要由粉砂級的長石、石英組成，還含有少量絹云母、綠泥石，平均密度2794.5 kg/m3，為變質(zhì)巖;砂巖取自三峽庫區(qū)秭歸沙鎮(zhèn)溪白水河滑坡，灰白色，結(jié)構(gòu)松散，較堅(jiān)硬，含水率較低，孔隙率較高，主要由石英膠結(jié)而成，平均密度2593.67 kg/m3，為沉積巖;泥巖取自宜昌城區(qū)某一路基邊坡，磚紅色，膠結(jié)程度差，含水率較高，孔隙度大，荷載作用下塑性變形顯著，膨脹性強(qiáng)，主要由細(xì)粒的泥質(zhì)粘土礦物膠結(jié)而成，還含有少量的細(xì)砂粒，平均密度2312.93 kg/m3，為沉積巖。

通過取樣、切割、打磨和試樣加工，得到砂板巖、砂巖、泥巖試樣(見圖1)。試樣在三峽大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室加工完成，對試樣的加載端面進(jìn)行了細(xì)致研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，符合國際標(biāo)準(zhǔn)。試樣表面光滑，沒有明顯缺陷。對制備好的試樣進(jìn)行超聲波測試選樣［11］，剔除縱波波速偏差較大的試樣，選取9個Ф50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣(每種巖樣3個為1組)以及12個Ф50 mm×50 mm的劈裂試樣(每種巖樣4個為1組)。單軸壓縮試驗(yàn)中砂板巖編號為BY-1、BY-2、BY-3，砂巖為SY-1、SY-2、SY-3，泥巖為RY-1、RY-2、RY-3;劈裂試驗(yàn)中砂板巖編號為 BP-1、BP-2、BP-3、BP-4，砂巖為 SP-1、SP-2、SP-3、SP-4，泥巖為RP-1、RP-2、RP-3、RP-4。

圖1 砂板巖、砂巖和泥巖試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用三峽大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(見圖2)，其最大垂直加載力可達(dá)到1000 kN，變形控制速率的變化范圍可控制在10～1 mm/s之間，最大圍壓可加到50 MPa，力加載速率的變化范圍在0.01～100 kN/s之間。試驗(yàn)機(jī)可以自動化控制，試驗(yàn)過程中可對試驗(yàn)對象采用位移、行程和荷載控制，也可進(jìn)行正弦波、三角波、方波3種標(biāo)準(zhǔn)加載波形的疲勞試驗(yàn)。該設(shè)備所有功能參數(shù)均滿足試驗(yàn)要求。

圖2 RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

2 不同巖樣巴西劈裂試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用行程控制方式，設(shè)置加載速率為0.1 kN/s。由于3種巖樣抗拉強(qiáng)度差異較大，以抗拉強(qiáng)度最大巖石為標(biāo)準(zhǔn)，選取力終點(diǎn)為60 kN，加載直至巖樣破壞。

2.2 劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

砂巖和泥巖試樣的破壞面都通過2個墊條決定的平面，且裂紋面比較平直，主要是由于砂巖和泥巖由成分均勻的物質(zhì)膠結(jié)而成，在集中力的作用下，圓盤試樣端面中點(diǎn)處拉應(yīng)力值較大，裂紋沿著端面中點(diǎn)向內(nèi)部發(fā)展［12］，最后大部分試樣被劈裂成近似均勻的2部分。而砂板巖破壞面不唯一，裂紋面偏離圓盤中心，部分次破壞面靠近端部側(cè)邊以斜破壞面為主，主要由于砂板巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，方向不規(guī)則，結(jié)構(gòu)面處填充物抗拉能力弱，在張拉力的作用下，巖樣極易沿著這些薄弱面破壞。試樣破壞見圖3。3種巖樣抗拉強(qiáng)度與橫向應(yīng)變的關(guān)系見圖4。巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表1。從圖4和表1中可以看出:

圖3 試樣破壞

(1)在巴西圓盤劈裂試驗(yàn)中，不同材質(zhì)巖石具有不同的特征。砂板巖和砂巖在壓密階段后表現(xiàn)為線彈性，達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速跌落。其中，砂板巖表現(xiàn)為脆性破壞，砂巖為劈裂張拉破壞。泥巖在壓密階段后表現(xiàn)近似線彈性，達(dá)到峰值強(qiáng)度后還表現(xiàn)一定的延性，屬劈裂張拉破壞。

(2)3種巖樣的抗拉強(qiáng)度均具有一定的離散性，這與巖樣分布的隨機(jī)性和物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。砂板巖的抗拉強(qiáng)度為 10.324～21.478 MPa，砂巖為4.755～7.204 MPa，泥巖為 1.847～2.442 MPa。3種巖樣的平均抗拉強(qiáng)度依次為13.793、5.813 MPa和2.147 MPa，平均抗拉強(qiáng)度之比為1∶0.42∶0.16。從3種巖石的組成成分看，砂板巖由石英、長石組成，砂巖由石英組成，泥巖主要由泥質(zhì)組成，石英和長石巖性質(zhì)密、堅(jiān)硬，抗拉能力自然強(qiáng)于泥質(zhì)，而泥質(zhì)抗拉能力弱但韌性強(qiáng)，在較低的應(yīng)力下應(yīng)變較大。從3種巖石的成因來分析，砂板巖是由長石、石英、絹云母、綠泥石等在特定環(huán)境下高溫、高壓和化學(xué)流體發(fā)生物理化學(xué)變化而形成的巖石，物質(zhì)成分之間的結(jié)合力強(qiáng);砂巖是由石英顆粒在常溫常壓下膠結(jié)而成，膠結(jié)力由物理作用形成，比物化作用形成的結(jié)合力要弱;泥巖是由泥質(zhì)粘土和少量的砂粒膠結(jié)而成，膠結(jié)程度差，顆粒松散，膠結(jié)力比砂巖的弱，抗拉能力最弱。

表1 3種巖樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

(3)砂板巖彈性模量為0.878～1.985 GPa，泊松比為0.031～0.067;砂巖彈性模量為0.402～0.844 GPa，泊松比為0.025～0.146;泥巖彈性模量為0.97～1.178 GPa，泊松比為0.021～0.121。3種巖樣巴西劈裂條件下得到的平均彈性模量依次為1.470、0.602 GPa和 0.894 GPa，平均泊松比為0.044、0.07和0.084。變形參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，每種巖樣各變形參數(shù)離散性明顯，3種巖樣彈性模量、泊松比均存在明顯差異，說明巖性不同對變形參數(shù)有影響。

圖4 3種巖樣抗拉強(qiáng)度與橫向應(yīng)變的關(guān)系

3 不同巖樣單軸壓縮試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

采用行程和位移2種控制方式。預(yù)加載采用行程控制，砂巖和砂板巖抗壓強(qiáng)度相對較高，加載速率為0.2 kN/s，加載至10 kN;泥巖抗壓強(qiáng)度相對較低，加載速率為0.1 kN/s，加載至5 kN。預(yù)加載完成后，3種巖樣統(tǒng)一以位移加載控制，加載速率為0.005 mm/s，直至巖樣破壞。

3.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

巖石在常規(guī)單軸試驗(yàn)條件下，3種巖樣的破壞形態(tài)有如下特點(diǎn):①砂板巖有明顯的剪切破壞面，剪切面跟巖樣軸向成一定的傾角，破壞方式主要表現(xiàn)為壓剪破壞，而砂巖和泥巖的破壞面與端面近似垂直，主要以張拉劈裂破壞為主;②3種巖樣破壞產(chǎn)生的碎屑均較少，砂板巖和砂巖巖樣一般破裂成2～4塊，而泥巖巖樣一般破裂成數(shù)塊，大小不一，主要由于組成泥巖的泥質(zhì)粘土膠結(jié)程度差，而膨脹性和韌性強(qiáng);③砂板巖試樣破壞時有2條貫通的裂紋;砂巖有4條;泥巖有10條，其中貫通2條。在荷載作用下，抗壓強(qiáng)度小的巖石裂紋發(fā)展更加充分。3種巖樣典型單軸壓縮破壞形態(tài)見圖5。

圖5 3種巖樣單軸壓縮破壞形態(tài)

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性

3種巖樣常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6。從圖6可知，砂板巖在壓密階段后表現(xiàn)出較好的線彈性，強(qiáng)度達(dá)到應(yīng)力峰值后應(yīng)力迅速跌落，呈脆性破壞，幾乎不表現(xiàn)殘余強(qiáng)度，表現(xiàn)為彈脆性變形的特性。這主要是由于在應(yīng)力作用下舊的裂隙繼續(xù)發(fā)育、發(fā)展的結(jié)果。砂巖在壓密階段之后達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，先產(chǎn)生較小的塑性變形，之后幾乎為線彈性的，到達(dá)峰值強(qiáng)度之后有一定的殘余強(qiáng)度，在試件發(fā)生破壞的那一刻發(fā)出了清脆的破斷聲，隨后應(yīng)力便迅速跌落，表現(xiàn)為塑彈性變形的特性。這主要由于砂巖內(nèi)部空隙率比較高，在預(yù)加載時物質(zhì)顆粒間孔隙被壓密，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到裂紋發(fā)生的臨界值后，隨著應(yīng)力的增大裂紋繼續(xù)發(fā)展直至破壞。泥巖在強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，隨著荷載的增加表現(xiàn)出穩(wěn)定變形階段，而到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，塑性變形加速，即產(chǎn)生不穩(wěn)定的變形，呈現(xiàn)塑性破壞，表現(xiàn)一定的殘余強(qiáng)度，為彈塑性變形的特性。這主要由于泥巖物質(zhì)顆粒間的流動性較高，韌性和膨脹性較強(qiáng)，使泥巖在低應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出蠕變的特性，同時，較高的含水率又導(dǎo)致泥巖強(qiáng)度降低。

3種巖樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可知，砂板巖、砂巖和泥巖各自單軸抗壓強(qiáng)度、變形參數(shù)存在離散性，這與巖樣分布的隨機(jī)性和物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。3種巖樣單軸壓縮條件下平均抗壓強(qiáng)度分別為102.596、86.075 MPa和17.992 MPa，比值為 5.7∶4.8∶1;平均彈性模量分別為 43.620、20.81 GPa和 1.792 GPa，其比值為 24.3∶11.6∶1;平均泊松比分別為0.248、0.292和0.423，其比值為1∶1.177∶1.706。再一次證明巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比與巖石的組成成分和成因密不可分。從3種巖樣破壞持續(xù)時間看，泥巖持續(xù)時間最長，再次證明泥巖蠕變特性。

4 對比分析

3種巖樣各自平均抗壓強(qiáng)度與平均抗拉強(qiáng)度的比值分別為7.438、14.867和8.38;而由巴西劈裂試驗(yàn)的得到彈性模量、泊松比明顯小于單軸壓縮條件下的，且壓縮條件下的平均彈性模量與各自劈裂條件下的比值分別為29.7、34.6和2。由此可見，不同巖石材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度;不同的加載方式對同一種巖石的變形參數(shù)也有影響。

圖6 3種巖樣軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變的關(guān)系

5 結(jié)論

利用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對砂板巖、砂巖和泥巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)和常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)，研究了3種巖樣破壞特征、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性以及彈性模量和泊松比等參數(shù)，得出了以下結(jié)論:

(1)巴西劈裂試驗(yàn)中，砂板巖表現(xiàn)脆性破壞，砂巖和泥巖為劈裂張拉破壞，泥巖在達(dá)到峰值強(qiáng)度后還表現(xiàn)一定的延性。砂巖、泥巖巖樣在集中力的作用下都被劈裂成2部分，裂紋基本通過圓盤中心，而砂板巖破壞面不唯一，偏離圓盤中心。

(2)常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)中，砂板巖以剪切破壞為主，裂紋較少，且與軸向成一定的傾角。砂巖和泥巖主要以張拉劈裂破壞為主，裂紋較多，大多與軸向平行。

(3)3種巖樣各自的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及變形參數(shù)均存在離散性，主要由于巖樣分布的隨機(jī)性和物理力學(xué)性質(zhì)差異性，以及組成巖樣的礦物成分不同，巖樣的成因也不同。

(4)不同巖石材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，不同的加載方式也會影響巖石的變形參數(shù)。

［1］HUDSON J A，HARRISON J P.Engineering rock mechanics:an introduction to the principles［M］.New York:Pergamon Press，1997.

［2］HARRISON J P，HUDSON J A.Engineering rock mechanics part II:illustrative worked examples［M］.New York:Pergamon Press，2000.

［3］劉愷德，劉泉聲，朱元廣，等.考慮層理方向效應(yīng)煤巖巴西劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(2):308-316.

［4］喻勇，王天雄.三峽花崗巖劈裂抗拉特性與彈性模量關(guān)系的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(19):3258-3261.

［5］洪亮，李夕兵，馬春德，等.巖石動態(tài)強(qiáng)度及其應(yīng)變率靈敏性的尺寸效應(yīng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(3):527-533.

［6］BIENIAWSKI Z T.Mechanism of brittle fracture of rock，Parts I，II and III［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1967，4(4):395-430.

［7］MARTIN C D.The strength of massive Lac du bonnet granite around underground openings［D］.Manitoba:University of Manitoba，1993.

［8］張曉平，王思敬，韓庚友，等.巖石單軸壓縮條件下裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究—以片狀巖石為例［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(9):1772-1781.

［9］王彥琪.巖石單軸壓縮破壞過程的CT試驗(yàn)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2013.

［10］余斐.單軸壓縮條件下巖石的聲發(fā)射試驗(yàn)研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2012.

［11］鄧華鋒，李建林，鄧成進(jìn)，等.巖石力學(xué)試驗(yàn)中試樣選擇和抗壓強(qiáng)度預(yù)測方法研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(11):3399-3403.

［12］鄧華鋒，李建林，朱敏，等.圓盤厚徑比對巖石劈裂抗拉強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(4):792-798.