巖石拉伸剪切破裂試驗研究

熊志亮

摘 要：文章主要集中圍繞著巖石拉伸剪切破裂展開分析，論述了巖石拉伸剪切破裂的試驗方案和試驗的具體方法，希望可以為今后的巖石拉伸剪切破裂試驗工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：巖石；拉伸剪切破裂；試驗

巖石拉伸剪切破裂是一種復合破裂模式，針對巖石拉伸剪切破裂進行試驗，分析試驗的結果，可以為今后巖石的研究和應用提供更多的數據參考，提升巖石研究的水平。

一、巖石破裂的原因

首先，正因為它是剛硬的，所以才會破裂。如果它像生面團那樣有很好的塑性。就不容易破裂了。如果是液體，更無所謂破裂。絕大多數地震都發(fā)生在地下70千米以內，特別集中在地下5-20千米上下。這不是偶然的。因為在地下較深的地方。溫度高，壓力大。堅硬的巖石也具有一定的塑性。就不么容易破裂了；即使破裂，因它積累的能量不是很大，震級不會太高。

在地下，存在著各種形式的力的作用。而且這些力會在地下某些處所積累加強。當增大到使那里的巖石承受不了時，巖石破裂就發(fā)生了。在這個變動中起主要作用的是地殼運動。

在地殼運動的過程中。地殼的不同部位受到了擠壓、拉伸、旋扭等力的作用。那些構造比較脆弱的地方就容易破裂，引起斷裂變動。這種變動成為地震的主要原因。全世界90%以上的地震。都是由于地殼的斷裂變動造成的，這類地震稱為構造地震?，F在我們要預報、預防的。主要就是這種構造地震。此外，火山爆發(fā)、洞穴坍塌等也可造成地震。但數量都很少，規(guī)模也很小。因此地震也可以說是現今地殼運動的一種表現。

二、巖石拉伸剪切試驗儀器與設備研發(fā)

目前進行巖石拉伸剪切的試驗儀器，主要是以材料試驗機為基礎的第一代巖石力學試驗技術與設備，試驗測量和控制技術相對落后。為了更好地刻畫和表征巖石拉伸剪切力學試驗過程，減小試驗測量誤差和系統(tǒng)剛度影響，采用了SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀，該設備能夠實現巖石拉伸剪切應力條件伺服控制加載功能，可以實時獲得試驗全過程巖樣的法向變形、水平變形、法向荷載、水平荷載、法向位移和水平位移。

（一）儀器特點

SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀最大的特點是簡化了巖樣的制作過程，它采用從鉆孔中取出的巖心，切取徑高比1∶1巖石試件5-8塊，即可做抗剪試驗。該儀器用于測定巖石的抗剪強度，通過剪切試驗能迅速，準確地獲取巖石的抗剪參數：內聚力（C）和內摩擦角（Φ），為巖石地基和邊坡工程等提供可靠的地質數據。具有外觀精致，結構合理，測讀準確，體積小，重量輕，省電，適用等特點。

（二）主要參數

其最大荷載范圍垂直0-30kN，水平0-70kN。測量精度0.5%（示值）。所測試試樣規(guī)格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50 等?？稍诃h(huán)境溫度-10-40℃、相對濕度85%的條件下長期連續(xù)使用。具有在短期超載20%的超載特性，但不允許長時間超載，以免損壞傳感器。讀數鎖存水平為2-70kN。手動油泵的最大工作壓力70MPa，外觀尺寸580×115×115mm，使用46號液壓機油。儀器整體重量不超過25kg。

（三）調試與使用方法

連接好電源和傳感器等后，調整數字顯示儀的X通道和Y通道的增益和調零旋鈕，使數字顯示儀顯示數字為零。將儀器的上盒蓋手動打開，把符合要求規(guī)格的試件裝入下剪切盒，然后將上剪切盒套裝在試樣上，保證上下剪切盒剪切口距離d（0（四）巖石拉伸剪切試驗儀關鍵技術

SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀在設備加載原理、設備結構和測量方法上進行了創(chuàng)新，形成了完全自主知識產權的第二代巖石剪切力學試驗設備。在設備加載原理方面，采取了線性作動增加加載油源原理，采用交流伺服電機直線作動增壓加載；在設備加載結構方面，發(fā)明了盒式端面滾軸承機構實現軸線拉荷載與水平剪切荷載的復合加載；在測量方法上，采用了非接觸的激光測量技術進行巖樣變形的高精度測量。關鍵技術主要有：SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀電機加載測控技術，拉壓剪切高剛度反力施加技術和非接觸式線性CCD變形測量技術。

1.SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀電機加載測控技術

長期動態(tài)加載不僅要精確，而且要連續(xù)。常規(guī)的動力泵式電液伺服加載能夠滿足加載的高精度，但動力泵運行將產生大量熱量，無法長期工作；機械式的祛碼擴力加載系統(tǒng)能夠長時間連續(xù)加載，卻不能實現高壓和拉壓波動動態(tài)加載；氣動保壓加載系統(tǒng)能夠長期連續(xù)加載，但無法滿足精確性。因此，要保持長期連續(xù)精確的動態(tài)加載是需要解決的技術難題。

采用交流伺服電機驅動油源加載技術，解決長期加載的動力連續(xù)性。由于交流伺服電機動力加載不發(fā)熱、低慣性、高轉速、高響應，可以進行長期連續(xù)的動力加載，不會產生動力泵長期工作發(fā)熱磨損技術問題。采用交流閉環(huán)伺服控制電機與全數字系統(tǒng)閉環(huán)伺服控制的雙閉環(huán)伺服控制技術，解決長期波動加載的高精度伺服控制。由于采用2ms級電時間常數伺服電機和土100000通道分辨率全數字伺服控制器，控制的精度和響應得到了保證。采用高分辨率全數字閉環(huán)伺服控制器，由交流伺服電機驅動器來驅動液壓試驗機響應。法向和剪切應力需要提供足夠的加載壓力，法向和水平方向油源壓力設計為60MPa，解決高壓加載問題。由于波動控制需要數字信號更靈敏的識別，閉環(huán)伺服動態(tài)控制系統(tǒng)采用高頻響高分辨率（100000級通道分辨率）的全數字伺服控制器，并加裝4ETF放大器，解決數字信號的快速靈敏識別與響應。由于循環(huán)波動加載需要作動器快速響應，作動器采用低摩阻動態(tài)雙向加載作動器。使用1000kN負荷傳感器和光柵式位移傳感器，提高動態(tài)控制和測量精度。

2.拉壓剪切高剛度反力施加技術

采用高剛度雙向作動器、盒式端面滾軸承機構和試件高強度勃結技術，實現試件法向拉壓水平剪切的反力施加（圖1）。高剛度雙向作動器能夠實現拉力和壓力，同時滿足巖石變形對主機高剛度的需求；盒式端面滾軸承機構能夠承受雙向作動器的拉壓，同時可以水平向平動，實現拉壓剪切；試件高強度豁結技術，能夠避免傳統(tǒng)的夾具端面約束效應，解決試件受拉力的問題。

3.非接觸式線性CCD變形測量技術

以往的巖石力學試驗中試樣變形測量常采用應變片、引伸計或鏈式應變測量裝置，這些變形測量的方法均為巖樣點上或面上變形的平均，由于巖石發(fā)生剪切蠕變時剪切區(qū)變形非連續(xù)，測量結果與變形測量位置密切相關，依此計算出的應變也是片面和局部的，真正的剪切區(qū)變形測量是個技術難題。

采用非接觸式線性CCD變形測量系統(tǒng)高強度LED發(fā)出的光變成一致平行光后，穿過特殊的漫射裝置與準直鏡頭，然后射向巖樣。通過遠心光學系統(tǒng)，在高速線性CCD中準確形成目標的影子圖。通過數字邊緣檢測處理器與CPU對CCD發(fā)送的信號計算得出的結果，CCD攝像元件的數字信號輸出設置了一個閡值，來自CCD攝像元件的信號與閡值相交處稱為“邊緣”。檢測這個“邊緣”被用于進行各種測量和區(qū)分。高精度CCD法顯示并輸出目標尺寸。由于遠心光學系統(tǒng)除去了不必要的光而只形成平行光圖像，鏡頭倍率不會受位置變化的影響，從而能夠實現高精度測量。LED-CCD感測頭工作原理（圖2）。在巖樣徑向不同角度設置這種高精度LED-CCD感測頭，從而可以解決真正的剪切區(qū)非連續(xù)變形測量難題。

三、巖石拉伸剪切變形破裂特征

采用相對均質的花崗閃長巖制作巖石樣品，樣品為立方體，尺寸為100mm×100mm×100mm，試驗過程中先施加拉力到一定值，然后保持拉力不變，開始施加剪力，直到試樣發(fā)生破壞。試驗共設計巧個拉力值，分別為：2kN，4kN，6kN，8kN，10kN，12kN，15kN、18kN、20kN、22kN、25kN、28kN、30kN、32kN、35kN。先以相同的加載速率施加拉力到預定值，然后再以相同的剪切速率施加剪力直至試樣破壞?；◢忛W長巖破壞面基本上都是沿著既定的剪切面發(fā)生破壞，破壞面的形態(tài)凹凸不平（圖3）。

（一）巖石拉剪破裂面形貌特征與規(guī)律

采用三維激光表面掃描和掃描電鏡（SEM）方法，分別對巖石拉剪破裂面宏觀和微觀形貌進行探測分析，研究巖石拉剪破裂面宏觀粗糙度特征與規(guī)律。

將巖石拉剪斷面的粗糙表面置于激光掃描臺上進行測量，采用Surfer軟件生成斷裂表面形貌圖，圖4為軸向拉力為35kN（拉應力為3.5MPa）巖石拉剪破裂面形貌。將不同拉應力的巖石拉剪破裂面進行SEM圖像掃描分析，圖5為拉應力為3.5MPa巖石拉剪破裂面的SEM圖像。

分形維數能定量刻畫斷裂表面的粗糙度，分形維數越大，巖石斷裂表面越粗糙。對于巖石拉剪宏觀破裂面，采用立方體覆蓋法的分形維數定量刻畫斷口剖面的彎曲程度以及斷裂表面的粗糙度。立方體覆蓋法采用三維立方體網格直接覆蓋粗糙表面，計算不同拉應力巖石拉剪破裂面的分形維數；對于破裂面BEM圖像采用計盒維數法計算圖像的分形維數。可以得出如下規(guī)律：巖石拉剪破裂面的分形維數即粗糙度隨著拉應力的增加而增大。這是由于拉力增大，在拉剪面形成過程的摩擦程度減小，從而導致斷裂面凹凸程度增加，表現為分形維數增加，粗糙度增大。

（二）巖石拉剪破裂面微觀斷口模式

通過研究巖石斷口可以追溯斷裂的機理，發(fā)現巖石的微結構組成和缺陷。前人對巖石斷口微觀形貌進行了詳細的研究，得到巖石的微觀斷裂方式，其斷裂機理主要為兩大類，即拉伸破壞和剪切破壞。

采用德國LE01450VP掃描電子顯微鏡（SEM），對巖石拉剪破裂面進行了圖像分析，主要存在剪裂斷口和拉斷斷口。剪裂斷口主要有條紋花樣（拉應力為1.OMPa的SEM圖像）、線狀排列小顆粒狀花樣（拉應力為1.OMPa和2.5MPa的SEM圖像）；拉斷斷口主要有魚骨狀花樣（拉應力為2.5MPa和3.5MPa的SEM圖像）、臺階狀花樣（拉應力為3.OMPa和3.SMPa的SEM圖像）。

通過SEM掃描圖像對巖石斷口的觀察，巖石的微觀斷裂形式是拉伸破壞和剪切破壞的結合。當拉應力較小時，巖石的微觀斷裂形式主要表現為剪切破壞，并且隨著拉應力的增加，巖石的拉伸破壞形式表現得更加明顯。

四、巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA的應用

巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA主要功能包括應力分析、破裂分析、熱應力分析和流固耦合分析等。

（一）巖石中的應力分析

應力分析是工程設計中的基礎，對于復雜的、大型的巖土工程尤其如此。一般來講，解析理論只能得到幾種簡單圍巖結構中應力場的理論解。即使是簡單幾何形狀的巷道斷面，如橢圓端面巷道，其應力分布的表達式也極其復雜。而許多巖體中的開挖工程，涉及到比橢圓斷面更為復雜的斷面結構。雖然通過特殊的簡化方法我們也能得到一些復雜問題的近似解，但從工程應用來說，尋求一種比解析方法更方便得到的復雜結構中的應力場是十分必要的。這種必要性還表現在巖體介質往往是層狀的，充滿結構面，甚至是非均勻的。解析理論對這種具有復雜結構的介質將顯得無能為力。

（二）巖石破裂過程分析

巖石破裂過程分析是RFPA系統(tǒng)的重要組成部分和主要特點。RFPA提供相變分析模型，適用于介質從加載初期損傷到后期宏觀裂紋形成擴展的破裂全過程的分析。通過賦予介質不同構成部分相變前后的力學性質參數，可以完成巖石介質的破裂過程分析。

（三）巖石熱應力與熱開裂分析

當巖石經受高溫作用時，將產生熱膨脹。當這種膨脹遭到阻礙時，便在巖石中產生熱應力。不僅如此，由于巖石是由各種礦物顆粒組成的非均勻介質，各種非均勻介質的熱尾性質不一樣，因此在巖石經受高溫時，將因為組成巖石介質礦物顆粒的熱膨脹差異而產生內應力。當內應力達到一定程度時，就會誘發(fā)巖石介質的破裂，即巖石的熱開裂。

（四）巖石破裂過程中的流固耦合分析

通常巖石力學的流固耦合問題可分為三類：一是固體與流體耦合；二是固體與熱耦合；三是熱與流體耦合。目前，RFPA系統(tǒng)僅包括固體與流體耦合作用的模擬，可分析的問題包括：（1）巖石破裂過程中滲流性能的演化規(guī)律；（2）巖體破裂過程中水力梯度、流速的變化規(guī)律；（3）滲透作用力的分布及其對巖體變形、損傷的影響和相互作用。

五、結語

綜上所述，巖石拉伸剪切破裂實驗的研究過程是比較復雜的，同時，試驗研究的每一個環(huán)節(jié)都應該積極掌握相關的技巧和質量把控方法，只有這樣才能夠提升巖石拉伸剪切破裂試驗的準確性和有效性。

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