压拉应力作用下岩石的强度

如题所述

由于岩石直接拉伸试验的困难性,岩石力学规程推荐采用圆盘试样径向受压致裂,间接确定岩石的抗拉强度。圆盘试样确实是受拉破坏,但并不能说压应力对岩石破坏没有影响,岩石的抗拉强度就是式(8.1)。即使以Griffith强度准则为依据,受压直径上的压应力也都超过拉应力的3倍,压应力较高抗拉强度较低。就此可以理解巴西劈裂强度低于单向拉伸强度。尽管缺少直接观察结果,但从上述分析可以确认圆盘试样并不会从中心起裂。

如前所述,试验得到的岩样抗拉强度受到试验方式和材料内部缺陷的双重影响,因而岩样抗拉强度与围压没有明确的关系。对于图8-34钾质花岗岩,如果不考虑特别高数据H,上方5个数据具有较好的线性关系。大致设想为,这5个岩样含有相同的最弱断面,且试验过程也没有明显失误;下方3个数据也具有相同的线性关系,认为这3个试样也具有相同的最弱断面。至于中间的2个数据L可能是材料特性不同,也可能是受到试验过程的影响。

对于图8-35中花岗岩不考虑1个特别高数据H和4个偏低的数据,其余11个数据成两组直线关系。对图8-36的片麻岩也可以做同样的分析。将这3种岩石的数据总汇于图8-37。显然岩样直接拉伸的强度与围压呈线性关系,图8-37中给出了钾质花岗岩和花岗岩两组数据的回归结果,可写成公式(8.13),式中截距T0相当于岩样的单向拉伸强度。

T+kP=T0 (8.13)

图8-37 直接拉伸的强度与围压的关系

从图 8-37 容易看到,公式(8.13)中的围压影响系数k随单向拉伸强度增大而减小。图8-36中大理岩的强度较低,因而随围压增大而快速减小,也与此吻合。

公式(8.13)另一个外推结果是岩样双向压缩的强度 P0=T0/k,双向压缩时试样在轴向不承载拉应力,但承受拉伸变形,试样可以在一定的拉伸变形下破坏。对于钾质花岗岩,P0=191MPa,其单轴压缩强度为272.4MPa;对于花岗岩P0=37.5MPa,其单轴压缩强度为206.6MPa,差别显著。据此做这样的理解:花岗岩颗粒较大,相互之间的咬合可以承载相当的压应力,而颗粒之间的粘结较差,不能承受较大的拉伸变形。当然,回归公式(8.13)能否外推到双向压缩需要进一步的研究。

就微观结构而言,颗粒之间只有产生一定的变形后才会破坏。而变形的产生和增大与载荷相对应。固然可以认为,岩石拉伸破坏是由变形控制的,但并不能简单地将岩石破坏用弹性力学的Hooke定律写为:

T+2νP=T0=Eε0 (8.14)

式中,E和ν为杨氏模量和泊松比。与公式(8.13)相比,围压影响系数k远小于2ν。

尽管围压与轴向拉伸应力都可以产生拉伸变形,但二者的作用并不等同。在围压恒定,增加拉伸载荷使岩石达到承载极限时,岩石能持续产生拉伸变形而破坏;如果轴向拉应力恒定增加围压,由于岩石在径向不会达到屈服状态,其轴向拉伸变形只会随围压按照Hooke定律线性增加,因而需要的围压数值较高,或者说围压影响系数k较小,小于2ν。

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