干燥及飽水狀態(tài)下基于巴西劈裂法的板巖抗拉強度

王慧文，李江騰，高吉超，林杭

?

干燥及飽水狀態(tài)下基于巴西劈裂法的板巖抗拉強度

王慧文，李江騰，高吉超，林杭

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

為研究干燥及飽水狀態(tài)下不同層理角度板巖的抗拉強度的相關(guān)規(guī)律，采用微機控制電液伺服萬能試驗機對不同層理角度的板巖試件進行巴西劈裂試驗，獲得其破壞荷載、飽和含水率、抗拉強度等力學(xué)參數(shù)；基于獲得的力學(xué)參數(shù)分析不同狀態(tài)下板巖試件抗拉強度的變化規(guī)律以及其相對應(yīng)的破壞模式。研究結(jié)果表明：隨著板巖試件層理角度的增加，其抗拉強度逐漸降低，飽水狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度明顯低于干燥狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度，并且層理角度為0°和90°板巖試件的破壞模式為純拉伸破壞，層理角度為30°和60°板巖試件的破壞模式為沿層面剪切破壞。

干燥和飽水；層理角度；板巖；巴西劈裂試驗；抗拉強度

巖石的抗拉強度是巖石非常重要的力學(xué)參數(shù)，在巖土類工程建設(shè)中。因巖體經(jīng)常處于各種應(yīng)力交替存在的狀態(tài)之中，如何準(zhǔn)確地劃分每種應(yīng)力狀態(tài)的作用范圍是判定巖土工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，由于巖石的抗壓強度遠大于其抗拉強度，故處于受拉狀態(tài)下的巖石更容易被破壞，由于水對巖石的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)都存在影響，從而使巖石的抗拉強度降低，水對巖石抗拉強度的影響主要體現(xiàn)在黏結(jié)力弱化[1]。目前，測定巖石抗拉強度的方法主要有直接拉伸法和劈裂法[2]，由于軟巖和夾具之間容易發(fā)生變形和破壞，從而使試件中心線難以與荷載保持在同一軸線上，故用直接拉伸法測巖石的抗拉強度具有一定的難度，由于劈裂法具有成本低和操作簡單等優(yōu)點，故在測巖石的抗拉強度方面得到廣泛應(yīng)用[3?8]。在一般情況下，巴西劈裂法測軟巖以及層狀巖石所得的抗拉強度高于其所測硬巖所得的抗拉強度[9?12]。地球表面的巖體一般存在層理、片理和節(jié)理等不連續(xù)面，其力學(xué)特性在不同尺度范圍內(nèi)不同。人們對巴西劈裂法測巖石的抗拉強度[13?14]以及測干燥飽水狀態(tài)下巖石的抗拉強度[15]的研究較多，但基本都停留在各向同性巖石上，對不同層理角度巖石的研究較少。故本文作者將層理角度分別為0°，30°，60°和90°的板巖試件分成2組，其中，一組板巖試件經(jīng)過處理后作為干燥試件，另一組板巖試件經(jīng)過處理后作為飽水試件，然后利用微機控制電液伺服萬能試驗機對干燥和飽水狀態(tài)下的板巖試件進行巴西劈裂試驗，以獲得其破壞荷載、飽和含水率和抗拉強度等力學(xué)參數(shù)，并且以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析干燥及飽水狀態(tài)下板巖試件抗拉強度的變化規(guī)律及其相對應(yīng)的破壞模式。

1 巴西劈裂試驗概述

1.1 試件制備

按照GB/T 50226—99“工程巖體試驗方法標(biāo) 準(zhǔn)”[4]相關(guān)規(guī)定，巴西劈裂法的試件長×寬為50 mm×50 mm。采樣時，采用鉆孔取芯法，按一定的方向取樣(為板巖層理面與試樣端面間的夾角)，分別取為0°，30°，60°和90°，并且試件上下表面的平行度控制在0.5 mm，側(cè)面平行度控制在0.1 mm，取樣圖如圖1所示。其中層理角度為30°試樣層理角度如圖1(b)所示。

β/(°)：(a) 0；(b) 30；(c) 60；(d) 90

1.2 試件分組

試件加工完成后，按照干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的巴西劈裂法，板巖試件分成2組，每組12個試件，每個層理角度對應(yīng)3個試件，板巖試件放置于烘干箱內(nèi)在 100 ℃左右加熱 24 h 后自然冷卻后作為干燥試件。板巖試件放置于水桶內(nèi)，先將巖樣1/4浸泡在水中2 h，再加水浸泡巖樣1/2在水中2 h，然后浸泡巖樣3/4在水中2 h后，加水至全部浸泡并高出試件20 mm浸泡48 h作為飽水試件。飽水狀態(tài)下板巖試件的含水狀態(tài)如表1所示。

表1 飽和狀態(tài)板巖含水率

1.3 試驗設(shè)備及試驗方法

通過微機控制電液伺服萬能試驗機分別對干燥和飽水狀態(tài)下的板巖試件進行巴西劈裂試驗，巴西劈裂試驗加載方式如圖2所示，巴西劈裂試驗應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系[13]如下式所示：

式中：ε，ε和ε分別為，和方向的巖石應(yīng)變；σ，σ和σ分別為，和方向的巖石應(yīng)力；11，12，…，66為由和，，決定的函數(shù)關(guān)系式，其函數(shù)表達式為

(2)

為巖石所受的荷載；為試件的直徑；為試件的長度(厚度)；q，q和q為應(yīng)力集中因子，其為彈性參數(shù)和的函數(shù)。

巴西劈裂試驗的試件受力狀態(tài)屬于圓盤對心受壓狀態(tài)(見圖3)根據(jù)平面應(yīng)力問題彈性力學(xué)解[16?17]，可得巴西圓盤內(nèi)任意一點(，)的應(yīng)力為

其中：1和2分別為圓盤內(nèi)任一點在圓盤對稱軸方向上與試件加載點和受力點的夾角；1和2分別為巖石任意一點與試樣加載點和受力點之間的距離。

1—圓盤巖石試樣；2—墊板；3—墊條。

圖2 板巖試樣加載示意圖

Fig. 2 Schematic diagrams of slate specimens under loading

圖3 板巖試樣受力試樣圖

圓盤中心處1=2=0，1=2=0.5。試樣的劈裂強度也就是其抗拉強度可表示為

式中：σ為板巖的抗拉強度；P為破壞荷載。

2 巴西劈裂法試驗結(jié)果分析

2.1 干燥和飽水狀態(tài)下板巖層理角度與劈裂強度(抗拉強度)的關(guān)系

根據(jù)式(4)計算干燥和飽水狀態(tài)下板巖所求得的試件的抗拉強度，板巖試件的幾何參數(shù)、極限荷載以及抗拉強度如表2和表3所示。表4所示為不同層理角度板巖試件對應(yīng)不同的抗拉強度。將σt定義為板巖試件的軟化系數(shù)。由表4可知：σt平均為44.83%，飽水狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度明顯低于干燥狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度。干燥和飽水狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度與層理角度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：隨著板巖試樣層理角度的增加，板巖試件抗拉強度逐漸降低。其主要原因是隨著層理角度的增加，板巖試件的破壞模式由純拉伸破壞向純剪切破壞過渡。

表2 干燥狀態(tài)下不同層理角度板巖試件巴西劈裂法試驗結(jié)果

表3 飽水狀態(tài)下不同層理角度板巖試件巴西劈裂法試驗結(jié)果

表4 不同層理角度的板巖試件軟化系數(shù)

1—干燥試件；2—飽水試件。

2.2 干燥及飽水狀態(tài)下不同層理角度板巖試件的破壞形式

從試驗結(jié)果可得：板巖試件受軸向載荷時，大多數(shù)板巖試件破壞不是沿著對稱軸破裂而是偏移巴西圓盤中心線一定位置后發(fā)生破裂，究其原因主要是板巖試件和加載模具之間存在摩擦力，使板巖試件受載時，在圓盤中心線產(chǎn)生剪切力，該剪切力使原本沿中心線破壞的巴西圓盤的破裂方向發(fā)生偏移。干燥及飽水狀態(tài)下不同層理角度板巖試件的破壞模式如圖5所示，根據(jù)弱面理論[18]可將不同層理角度板巖試件破壞形式歸納如下：1)為0°和90°的板巖試件的破壞形式屬于純拉伸破壞；2)為30°和60°的板巖試件的破壞形式屬于沿層面剪切破壞。從圖5可知：飽水狀態(tài)下的板巖試件破壞更加充分，主要是由于水分子的浸入潤滑作用，改變了板巖內(nèi)部礦物顆粒的黏合程度；另一方面，水巖之間的物理化學(xué)作用使礦物與礦物間膠結(jié)黏合方式改變，從而降低了板巖內(nèi)聚力和摩擦力。

(a) 干燥狀態(tài)板巖破壞模式；(b) 飽水狀態(tài)板巖試件破壞模式

3 結(jié)論

1) 通過對不同層理角度的板巖試件進行巴西劈裂試驗，基于其獲得的抗拉強度等力學(xué)參數(shù)，可以得出不同層理角度板巖試件的抗拉強度各不相同，并且隨著板巖的層理角度從0°~90°增加，其所對應(yīng)的抗拉強度逐漸降低。

2) 飽水狀態(tài)下的板巖試件的抗拉強度低于其在干燥狀態(tài)下板巖試件的抗拉強度。

3) 受軸向載荷的板巖試件大多數(shù)不是沿著巴西圓盤中心線發(fā)生破裂，而是在偏離巴西圓盤中心線一定位置后發(fā)生破壞。

4) 層理角度為0°和90°的板巖試件的破壞形式屬于純拉伸破壞，層理角度為30°和60°的板巖試件的破壞形式屬于沿層面剪切破壞，其結(jié)果可為處于拉伸載荷作用下的巖體的破壞模式提供參考。

[1] 顏玉定, 廖遠群, 吳景濃, 等. 圍壓條件下巖石的抗拉強度[J]. 華南地震, 1991, 11(2): 1?12. YAN Yuding, LIAO Yuanqun, WU Jingnong, et al. Tension resistant strength of rock under confining pressure[J]. South China Journal of Seismology, 1991, 11(2): 1?12.

[2] 王作棠, 周華強, 謝耀社. 礦山巖體力學(xué)[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2007: 15?20. WANG Zuotang, ZHOU Huaqiang, XIE Yaoshe. Ming rock mechanics[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2007: 15?20.

[3] 鄒洋. 巖石動靜組合加載巴西盤劈裂試驗研究[D]. 長沙: 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 2011: 6?20. ZHOU Yang. Experimental study of rock Brizilian Disk test under coupled stadic-dynamic loads[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2011: 6?20.

[4] GB/T 50266—99, 工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. GB/T 50266—99, Standards for test method of engineering rock masses[S].

[5] DY—94, 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程[S]. DY—94, Specifications for test method of physico-mechanical properties of rock[S].

[6] BIENIAWSKI Z T, HAWKES I. Suggested methods for determining tensile strength of rock materials[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1978, 15(1): 99?103.

[7] SL 264—2001, 水利水電工程巖石試驗規(guī)程[S]. SL 264—2001, Specifications for rock tests in water conservancy and hydroelectric engineering[S].

[8] 尹成. 巖石拉壓實驗的顆粒離散元模擬[D]. 成都: 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 2014: 22?40. YIN Chen. Particle DEM simulation for rock tests of direct tension and compression[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University. College of Civil Engineering, 2014: 22?40.

[9] 劉建鋒, 徐進, 楊春和. 鹽巖拉伸破壞力學(xué)特性的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2011, 10(4): 580?586. LIU Jianfeng, XU Jin, YANG Chunhe. Mechanical characteristics of tensile failure of salt rock[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 10(4): 580?586.

[10] 葉明亮, 續(xù)建科, 牟宏, 等. 巖石抗拉強度試驗方法的探討[J]. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2001, 30(6): 19?25. YE Mingliang, XU Jianke, MOU Hong, et al. Discussion on rock tensile strength test method[J]. Journal of Guizhou Industry University, 2001, 30(6): 19?25.

[11] 李地元, 李夕兵, LIC C R. 2種巖石直接拉壓作用下的力學(xué)性能試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(3): 624?632. LI Diyuan, LI Xibing, LIC C R. Experimental studies of mechanical properties of two rocks under direct compression and tension[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(3): 624?632.

[12] 宮鳳強. 動靜組合加載下巖石力學(xué)特性和動態(tài)強度準(zhǔn)則的試驗研究[D]. 長沙: 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 2010: 30?35. GONG Fengqiang. Experimental study of rock mechanical properties under coupled static-dynamic loads and dynamic strength criterian[D]. Changsha: Central South University.School of Resources and Safety Engineering, 2010: 30?35.

[13] 劉運思. 橫觀各向同性巖體巴西劈裂試驗理論及工程應(yīng)用研究[D]. 長沙: 中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013: 29?42. LIU Yunsi. Brazilian splitting test theory and engineering application for transversely isotropic rock[D]. Changsha: Central South University. College of C ivil Engineering, 2013: 29?42.

[14] 尤明慶, 蘇承東. 平臺巴西圓盤劈裂和巖石抗拉強度的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 23(18): 3106?3112. YOU Mingqing, SU Chengdong. Experimental study on split test with flattened disk and tensile strength of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 23(18): 3106?3112.

[15] 尤明慶, 陳向雷, 蘇承東. 干燥及飽水巖石圓盤和圓環(huán)的巴西劈裂強度[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(3): 464?472. YOU Mingqing, CHEN Xianglei, SU Chengdong. Brazilian Splitting strengths of discs and rings of rocks in dry and saturated conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(3): 464?472.

[16] JTG E41—2005, 公路工程巖石試驗規(guī)程[S]. JTG E41—2005，Code for highway rock tests[S].

[17] 宮鳳強, 李夕兵. 巴西圓盤劈裂試驗中拉伸模量解析解算法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(5): 881?891. GONG Fengqiang, LI Xibing. Analytical algorithm to estimate tensile modulus in Brazilian disk splitting tests[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(5): 881?891.

[18] 劉運思, 傅鶴林, 伍毅敏, 等. 基于單弱面理論對板巖巴西劈裂試驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2013, 38(10): 1775?1780. LIU Yunsi, FU Helin, WU Yimin, et al. Study on Brazilian splitting test for slate based on single weak plane theory[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(10): 1775?1780.

(編輯 楊幼平)

Tensile strength of slates under Brazilian splitting test in dry and saturated condition

WANG Huiwen, LI Jiangteng, GAO Jichao, LIN Hang

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

In order to study the related law of the tensile strength of slates in different bedding angles in dry and saturated condition, failure load, saturated water content, tensile strength of slates of different bedding angles were obtained by Brazilian splitting test using microcomputer control electro-hydraulic servo universal testing machine. The related laws and the failure mode of the tensile strength of slates in different bedding angles under different states were analyzed. The results show that the tensile strength of slates decreases with the increase of bedding angles of slates, the tensile strength of the slates specimen in the water-saturated state is significantly lower than that of the slates specimen in the dry state. Failure mode of slate specimens is the pure tensile failure when the bedding angles are 0° and 90°. Failure mode of slate specimens is the shear failure along the level when the bedding angles are 30° and 60°.

dry and saturated conditions; bedding angles slate; Brazilian splitting test; tensile strength

TU452

A

1672?7207(2017)04?1044?05

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.026

2016?04?18；

2016?06?16

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

李江騰，博士，教授，從事巖土工程研究；E-mail：ljtcsu@163.com