李穎++王賈博
摘 要:為研究紅砂巖中巴西劈裂強(qiáng)度和破壞極限應(yīng)變的尺寸效應(yīng),試驗(yàn)采用了直徑50mm,高度分別為20、25、30、35、40、45、50mm等7組不同厚度的紅砂巖圓盤試件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),同時(shí)在試件圓盤中央黏貼應(yīng)變片監(jiān)測試件加載直至破壞過程中的橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同厚度下的紅砂巖試件所得巴西劈裂抗拉強(qiáng)度不同,試驗(yàn)回歸分析了紅砂巖中巴西劈裂抗拉強(qiáng)度與厚度的關(guān)系,在20~30mm厚度范圍內(nèi),劈拉強(qiáng)度隨厚度的增加而增大,在30~50mm范圍內(nèi),劈拉強(qiáng)度隨厚度增加而無明顯變化。
關(guān)鍵詞:紅砂巖 尺寸效應(yīng) 巴西劈裂 極限應(yīng)變
中圖分類號(hào):TU458+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2017)09(c)-0233-02
抗拉強(qiáng)度是巖石重要的力學(xué)指標(biāo)之一,其主要試驗(yàn)方法有直接拉伸法和巴西圓盤劈裂法。直接拉伸法一般需要用環(huán)氧樹脂膠將標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件固定在試驗(yàn)機(jī)兩端[1],由于對中困難不易,數(shù)據(jù)離散性大,在實(shí)踐中已較少采用,而巴西圓盤劈裂試驗(yàn)通過對圓盤試件施加荷載間接得到水平側(cè)向拉應(yīng)力,簡單方便,在實(shí)際測試中使用較多。
盡管如此,巴西劈裂試驗(yàn)仍然存在兩點(diǎn)主要缺陷:一是集中力作用下加載導(dǎo)致圓盤上下端點(diǎn)處應(yīng)力集中過大可能導(dǎo)致的局部破壞,二是不同厚度試件高徑比的測試結(jié)果具有顯著的尺寸效應(yīng)。國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定,試件厚度宜為直徑的0.5~1.0倍,即25~50mm,但此范圍較大,不同厚度試件得出的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同,不同類型巖石的尺寸效應(yīng)也不盡相同,有必要對巴西劈裂強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的探索[2]。
本文采用7組不同厚度的紅砂巖圓盤試件對研究厚度對巴西劈裂抗拉強(qiáng)度(以下簡稱劈拉強(qiáng)度)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)探索,試驗(yàn)對7組(20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm)厚度進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),每組5~7塊試樣不等,分析了劈拉強(qiáng)度隨厚度的關(guān)系。在圓盤試件中央?yún)^(qū)域粘應(yīng)變片測量了試驗(yàn)過程中的橫向和縱向應(yīng)變變化,測量了試樣的極限應(yīng)變。
1 試驗(yàn)條件及方法
本試驗(yàn)所用的巖石為紅砂巖,巖塊完整性較好,無裂隙,暗紅色,質(zhì)地均勻致密,密度為2450kg/m3,單軸抗壓強(qiáng)度為78.29MPa。
巴西劈裂試驗(yàn)所用試樣加工成直徑50mm,厚度分別為20,25,30,35,40,45,50mm的7組圓柱形試樣,同一厚度的試樣5~7個(gè),共計(jì)41個(gè)。
Rocco等[3]通過計(jì)算得出結(jié)論,在巴西劈裂試驗(yàn)中,試件承壓帶的寬度與直徑相比較小的情況下得出的劈裂抗拉強(qiáng)度值,與集中力作用下得到的強(qiáng)度值大致相當(dāng)。因此,本文所述巴西劈裂試驗(yàn)直接用試驗(yàn)機(jī)端面進(jìn)行劈裂加載。
試驗(yàn)在MTS-CDT1504型剛性伺服試驗(yàn)機(jī)上開展,試驗(yàn)中加載方式采用位移控制法,位移速率為0.03mm/min,同時(shí)在圓盤圓心區(qū)域黏貼應(yīng)變片,使用程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀監(jiān)測試驗(yàn)過程中試樣破壞面處的橫向和縱向應(yīng)變,采樣頻率1Hz,對采集的數(shù)據(jù)用巴西劈裂的彈性解式(1)進(jìn)行計(jì)算。
(1)
式中P為峰值荷載,D為試件直徑,L為試件厚度。
2 試驗(yàn)結(jié)果
劈裂破壞后的試件如圖1所示,不同厚度組對應(yīng)的劈拉強(qiáng)度見表1。
采用負(fù)指數(shù)型函數(shù)擬合劈拉強(qiáng)度-厚度函數(shù)見圖2。
由圖2結(jié)合誤差棒分析可以看出,劈拉強(qiáng)度隨著厚度的增加而增大,在20~30mm較小厚度范圍劈拉強(qiáng)度隨厚度增長較大,超過30mm的厚度范圍內(nèi)劈拉強(qiáng)度并未有明顯增大。
國內(nèi)研究者[4-6]提出,巖樣尺寸增大,強(qiáng)度的平均值減小,離散性減小。國外Elkadi等[6]對混凝土破裂的尺寸效應(yīng)也有類似觀點(diǎn),認(rèn)為強(qiáng)度隨著試樣尺寸的增大而減小。本試驗(yàn)中,并未明顯看出這一規(guī)律,反而厚度越大劈拉強(qiáng)度越大,離散性增大。筆者認(rèn)為,可能是由于紅砂巖圓柱形試件在受到軸向壓力加載的過程中,不斷受到垂直于圓盤面的中心線方向向試件內(nèi)側(cè)約束的“箍力”,且厚度越大受到的箍力越大,試件破壞需要加載的最大壓力值也越大。徐燕飛等[7]試驗(yàn)所用硅質(zhì)砂巖劈拉強(qiáng)度也隨著厚度的增加而增大。
Perras等[8]表明,劈裂抗拉強(qiáng)度值通常比直接拉伸強(qiáng)度值更大,且對于不同類型巖石來說,劈裂抗拉強(qiáng)度值和直接拉伸強(qiáng)度值間的比例換算系數(shù)不同。本試驗(yàn)所述的“箍力”約束的影響能較好地對該現(xiàn)象解釋,因?yàn)楣苛ψ饔枚鴮?dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度比理想彈性解計(jì)算值偏大,而對于不同類型的巖石,由于各類地質(zhì)因素的影響而制作的試件表面粗糙程度不等,因此產(chǎn)生的箍力大小有較大差異,試驗(yàn)所得的劈裂抗拉強(qiáng)度值與直接拉伸所得的抗拉強(qiáng)度值也各不相同。
3 不同厚度下極限應(yīng)變的變化
不同厚度組對應(yīng)的平均極限應(yīng)變見圖3。
通過圖3可以看出,極限應(yīng)變并沒有隨著厚度的增加呈現(xiàn)一定的規(guī)律。
4 結(jié)論
(1)紅砂巖中,劈拉強(qiáng)度隨著厚度的增加而增大,在20~30mm較小厚度范圍劈拉強(qiáng)度隨厚度增長較大,超過30mm的厚度范圍內(nèi)劈拉強(qiáng)度并未有明顯增大。巴西圓盤劈裂試驗(yàn)中端部摩擦導(dǎo)致的箍力影響不可忽視。
(2)對于破壞極限應(yīng)變,并沒有看出尺寸效應(yīng)的影響,可能由于應(yīng)變片粘貼不牢、應(yīng)變儀的采樣頻率較低,巖樣的樣本數(shù)不足等原因,值得進(jìn)一步探索。
參考文獻(xiàn)
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