狗骨试样的直接拉伸试验

如题所述

岩石试样常规三轴压应力下多是剪切破坏。就剪切破坏而言,裂隙面不仅可以承载正应力,而且可以通过摩擦力承载剪应力,在围压较高时摩擦承载能力可以超过材料的粘聚力。另一方面,颗粒之间产生拉伸破坏之后将相互分离不能承载。而岩石是非均质材料,各处强度不等,粘结强度较低的颗粒间先发生破坏,使其周围颗粒承载加大,超过试样承载的名义载荷或平均载荷,易于破坏。这是岩石试样拉伸强度明显偏低的原因。据此也可以知道,基于局部颗粒构建的拉伸破坏概念及强度准则与宏观岩样并不完全一致。

目前对岩石的抗压强度研究较多,而应力状态对拉伸强度的影响论述很少。Murrell准则、Drucker-Prager准则等尽管含有拉伸应力,但在拉伸应力区域具有明显的欠缺,并无实际应用价值[42]。由于直接拉伸试验的困难,实验室多对圆盘试样进行径向压缩的劈裂试验,基于弹性力学分析,得到圆盘加载轴线上受均匀拉应力,认为岩石的抗拉强度较低,圆盘的破裂意味着岩石受拉破坏。

平面应力状态下的Griffith准则是以岩石内裂纹尖端受拉失稳得到的[43],其确定的单轴抗压强度8T0,T0是单轴抗拉强度。实际室内试验得到的压拉强度比都远大于8,与此不符。另一个需要确认的问题是,岩石破坏是由于载荷作用还是由于变形作用,目前也没有明确结果。文献[44]就常规三轴压应力状态下岩石的破坏特征进行了说明,而拉应力状态下尚缺少试验结果。

已有的岩石试样直接拉伸结果多是单向拉伸,且数量有限;使用液压拉伸“狗骨”形状的试样[45],在制备试样时较为困难,且试样并不承载均匀应力。工程岩体不会在单向应力作用下拉伸破坏,进行直接拉伸试验、确定单向抗拉强度,主要是学术研究的价值[46]。当然相反的意见也有,如 Important is also the tensile strength of a rock,because tension is always present in the vicinity of openings[47]。不过,在利用水压致裂确定地应力时,孔壁岩石处于压拉应力状态,若不考虑压应力对岩石拉伸破坏的影响,可能使测试结果产生明显偏差。下面将要介绍狗骨试样(dog-bone shaped specimen)[48]和圆柱试样[49]围压下直接拉伸试验结果,对岩石压拉应力状态的强度进行初步讨论。

试验用材料为Carrara大理岩,长90mm,端部直径43mm,中间颈部直径28mm,如图8-27所示。试样采用多层包裹。外层是聚烯烃(polyolefin),中间用可塑性的粘土(plasticene modelling clay)分隔,内层是乳胶(latex)或铜(copper)。

Polyolefin是不可渗透的,且能够支承弹性应力,因而需要通过粘土将液压传递到试样;乳胶强度较低,13个试样以其作内层包裹确定强度;但在试样破裂之后粘土会进入破裂面,因而另18个试样以铜作内层包裹,确定破坏角度和研究破裂面的特征。

图8-28 是狗骨试样破裂角和强度与围压的关系。围压为7.5~60MPa时,试样的抗拉强度保持不变,为7.8MPa,与过去测得的单轴拉伸强度6.9MPa相当[50];围压为60~70MPa时,抗拉强度增大,发生突变,但文献[48]没有解释发生这种现象的原因。试样强度的变化特征用已有的强度准则难以解释。

围压为130~170MPa试样破坏面倾角在13°~22°,是压应力状态下的剪切破坏;而围压为70~130MPa试样断裂面处于拉压应力的共同作用,破坏面倾角在3°~12°,是拉伸和剪切的复合破坏;围压为7.5~60MPa试样是拉伸断裂,断裂面垂直于拉应力,强度也大致保持恒定。图8-29不同围压下狗骨试样的破裂断面显示了这一渐变过程。

图8-27 狗骨试样的照片[48]

(据Ramsey,2004)

试样破坏围压由试验机的轴向载荷确定

图8-28 狗骨试样围压下的破裂角和强度[48]

(据Ramsey,2004)

图8-29 不同围压下狗骨试样的破裂断面[48]

(据Ramsey,2004)

图8-30 是岩盐围压下的拉伸结果[47]。双轴压缩是立方体试样,其余都是狗骨试样。在围压5MPa之内,拉伸强度离散性较大;此后拉伸强度随围压增大而降低,抗拉强度降低到零的数值与双向压缩强度恰巧协调。该岩盐单向抗压强度约为25MPa。立方体试样双向压缩强度大于单轴压缩强度与端面摩擦关系极大,并不完全是岩石的力学性质。

图8-30 岩盐围压下的拉伸结果[47]

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