围压对岩样直接拉伸强度的影响

如题所述

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试验(表8-1)。

图8-34是钾质花岗岩直径为50mm、长度为100mm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,其中以粘结层和岩石颗粒混合破断为主体,两者所占比例随岩样而不同。即使由完整岩石断裂得到的强度也离散较大。

由于圆盘中心破裂线上承载的压应力为拉应力的3倍以上,因而图中用圆圈给出14个试样巴西劈裂时圆盘中心压拉应力的数值,用实线表示14个试样劈裂强度的平均值。

表8-1 试验用4种岩石的单轴压缩参数和巴西劈裂强度

拉伸破坏总是发生在试样轴向的最弱断面。将一个试样沿轴向截成两个试样,则大试样强度与其中强度较低者相同。显然,尺度较大的试样分割成小试样时,小试样强度的离散性增大,而平均值一定超过大试样的强度[51]。圆盘巴西劈裂的试样长度一般在30mm左右,即圆柱试样的三分之一,其强度离散性增大,且部分试样强度偏高。即便如此,从图8-34也可以确认,巴西劈裂强度低于岩样单向拉伸的强度——围压为零时的数值。

图8-35是花岗岩试样直接拉伸强度与围压的关系。最初进行的13个试样中,明显失误的试样仅有2个(图中未标出);在4种岩石的试验进行完毕之后,发现在低围压下3个岩样的拉伸强度都略有偏低,又补作了6个试样,其中1个是粘结层部分断裂(图中未标出),1个靠近拉头断裂,其余4个断裂位置不确定。两次数据在图中用不同的符号标示。该种花岗岩具有5mm左右的颗粒,尺度较大,端部粘结层引起的载荷非均匀性相对减小,而岩石材料强度的非均匀性使得断裂位置不确定,并出现较大离散性。圆盘试样的巴西劈裂也具有一定的离散性,所有6个试样的强度在图8-35中给出,图中直线是平均值。

图8-34 钾质花岗岩直接拉伸的强度与围压的关系

H、L为离散数据

图8-35 花岗岩直接拉伸的强度与围压的关系

H、L为离散数据

图8-36是片麻岩和大理岩试样的直接拉伸强度与围压的关系。值得注意的是,大理岩巴西劈裂平均强度与围压在18MPa下岩样的直接拉伸强度相当。这也说明,巴西劈裂强度作为岩样单向拉伸强度是一个偏低的估计值,尽管其体积仅有标准圆柱试样的1/3。压应力对拉伸破坏具有显著影响,不容忽视。

图8-36 片麻岩和大理岩直接拉伸的强度与围压的关系

岩石的拉伸破裂比压缩破坏对内部材料的缺陷更加敏感,因而试验数据离散较大是意料之中的。由于岩样端部粘结层厚度的变化,引起加载的非均性,也会使试验数据低于岩石能够承载的拉伸应力。但是以下力学现象是可以确认的:

(1)岩样的抗拉强度随围压降低,Griffith准则认为压应力小于岩石抗拉强度3倍时对抗拉强度没有影响,这是不能成立的。

(2)圆盘巴西劈裂强度低于岩样的单向抗拉强度。

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