紅砂巖壓、拉力學(xué)性質(zhì)對比

莫正

（湖南交通國際經(jīng)濟(jì)工程合作有限公司，湖南 長沙410000）

1 概述

在巖石邊坡工程、巖石地下洞室工程和巖石基礎(chǔ)工程中，巖石處于受拉狀態(tài)或者受壓狀態(tài)，或者壓、拉同時(shí)作用狀態(tài)都是十分常見的。因此，巖石壓拉、力學(xué)性質(zhì)研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，一直是巖石工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與金屬可被看作均質(zhì)材料不同，巖石是由各種礦物成分組成的非均質(zhì)體，天然存在顯著的缺陷[1,2]，其抗拉與抗壓力學(xué)性質(zhì)會(huì)明顯不同[3-5]。巖石的組成礦物成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都對其力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。通常情況下，不僅不同種類巖石的力學(xué)性質(zhì)不同，即便是同一種類的巖石，其力學(xué)性質(zhì)仍然會(huì)不同[1,2]。例如，砂巖和花崗巖力學(xué)性質(zhì)不同。低孔隙度砂巖和高孔隙度砂巖的力學(xué)性質(zhì)也不同。因此，通過工程經(jīng)驗(yàn)類比并不能精確地獲取巖石力學(xué)性質(zhì)信息。巖石力學(xué)性質(zhì)通常采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)獲取，其中室內(nèi)試驗(yàn)是最主要的方法。巖石力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)包括抗壓試驗(yàn)[6,7]、抗剪試驗(yàn)[8,9]和抗拉試驗(yàn)[10,11]。研究巖石壓、拉力學(xué)性質(zhì)需要開展抗壓試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)。巖石單軸抗壓試驗(yàn)是最常用的抗壓試驗(yàn)。相比抗壓試驗(yàn)，抗拉試驗(yàn)特別是直接拉伸試驗(yàn)所需滿足的條件多且復(fù)雜[12,13]。目前抗拉試驗(yàn)多為巴西劈裂試驗(yàn)，屬于間接拉伸試驗(yàn)?，F(xiàn)有研究表明，由巴西劈裂試驗(yàn)獲得的抗拉強(qiáng)度和由單軸直接拉伸試驗(yàn)獲得的抗拉強(qiáng)度之間有一定的差距[11,14,15]。因此，要精確獲得巖石的抗拉力學(xué)性質(zhì)需要通過直接拉伸試驗(yàn)。常用的直接拉伸試驗(yàn)為單軸直接拉伸試驗(yàn)，試樣外觀為“狗骨頭”[13,16,17]。單軸直接拉伸試驗(yàn)通常利用專門的夾具夾住試樣兩端或者利用高強(qiáng)度樹脂將試樣兩端固定在拉頭上，再沿試樣軸向施加拉力[15,16]。

紅砂巖在巖石工程建設(shè)中比較常見，廣泛分布于我國的四川、云南、湖南和山東等地。紅砂巖構(gòu)造較復(fù)雜，有泥狀膠結(jié)構(gòu)造，有粒狀碎屑構(gòu)造，崩解性強(qiáng)的通常為軟巖～較軟巖，崩解性弱或者無崩解性的通常為硬巖。硬質(zhì)紅砂巖方便進(jìn)行試樣加工，本文研究主要針對這類紅砂巖。對紅砂巖開展單軸抗壓試驗(yàn)和單軸直接拉伸試驗(yàn)，利用試驗(yàn)獲得紅砂巖的抗壓與抗拉力學(xué)特性，通過試驗(yàn)結(jié)果對比分析揭示紅砂巖壓、拉力學(xué)特性的不同，為紅砂巖工程力學(xué)性質(zhì)研究提供參考。

2 紅砂巖單軸抗壓試驗(yàn)和單軸抗拉試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器。單軸抗壓試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器為全數(shù)字控制電液伺服多功能試驗(yàn)機(jī)RMT-150B。試驗(yàn)機(jī)軸向輸出最大壓力為1000kN。

單軸抗拉(直接拉伸)試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器為Instron 萬能材料試驗(yàn)機(jī)，屬于靜態(tài)液壓試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)軸向輸出最大拉力為100kN，利用配套夾具可以開展單軸直接拉伸試驗(yàn)。

2.2 試樣。試樣為紅砂巖，取自四川省宜賓市。天然密度為2402～2531kg/m3，細(xì)粒碎屑結(jié)構(gòu)，孔隙度為11.2%～26.2%，縱波波速為3520～4214m/s，無崩解性。

單軸抗壓試驗(yàn)的試樣為圓柱體，高為10cm，直徑為5cm。單軸抗拉試驗(yàn)的試樣通過加工得到，形式為“狗骨頭”狀。“狗骨頭”中間直徑為5cm，兩端拓寬為8cm。利用自由浸水法制作飽和試樣。

2.3 加載。利用RMT-150C 多功能試驗(yàn)機(jī)對圓柱試樣開展單軸抗壓試驗(yàn)，軸向加載采用應(yīng)變控制模式，加載應(yīng)變率為3×10-5s-1。利用Instron 萬能材料試驗(yàn)機(jī)和配套夾具對“狗骨頭”試樣開展單軸直接拉伸試驗(yàn)，加載速率為1.0kN/s。單軸抗壓和單軸抗拉試驗(yàn)的加載示意圖分別見圖1 和圖2。由試驗(yàn)分別得到壓、拉條件下的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線、強(qiáng)度和彈性模量等。

圖1 單軸抗壓試驗(yàn)加載示意圖

圖2 單軸抗拉試驗(yàn)加載示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系分析。設(shè)軸向壓、拉應(yīng)力分別為σc和σt，軸向壓、拉應(yīng)變?yōu)棣與和εt。壓應(yīng)力值為正，拉應(yīng)力值為負(fù)。軸向壓應(yīng)力σc與軸向壓應(yīng)變?chǔ)與之間關(guān)系曲線σc～εc、軸向拉應(yīng)力σt與軸向拉應(yīng)變?chǔ)舤之間關(guān)系曲線σt～εt分別見圖3 和圖4。

圖4 軸向拉應(yīng)力與軸向拉應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 軸向壓應(yīng)力與軸向壓應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖3 看出，σc～εc曲線主要經(jīng)歷了4 個(gè)階段：OA 非線性遞增階段、AB 線性遞增階段、BC 非線性遞增階段和CD 遞減階段。其中，OA 非線性遞增階段屬于壓密階段。紅砂巖試樣內(nèi)部具有孔隙結(jié)構(gòu)，因此，在外力加載初始，孔隙在擠壓作用下逐漸被壓密，此時(shí)軸向的應(yīng)變增長比應(yīng)力慢，曲線為上凹狀。隨著孔隙被壓密到一定程度，應(yīng)變速率追上應(yīng)力速率，應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系變成線性遞增關(guān)系，為彈性關(guān)系，如AB 段。隨著加載繼續(xù)發(fā)展，在擠壓過程中，巖石內(nèi)局部的應(yīng)力超過強(qiáng)度，導(dǎo)致局部出現(xiàn)微裂紋，即局部微裂萌生。微裂擴(kuò)展需要克服巖石礦物顆粒之間的粘結(jié)力和礦物顆粒之間由擠壓引起的摩擦力。微裂隨加載發(fā)生擴(kuò)展，使得巖石內(nèi)部儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能緩慢釋放，表現(xiàn)為應(yīng)力增長速率緩慢下降，此時(shí)應(yīng)力～應(yīng)變曲線關(guān)系為非線性遞增，屬于微裂紋擴(kuò)展階段呈上凸?fàn)?，如BC段。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)C 后，微裂紋匯聚成宏觀裂紋，此時(shí)，應(yīng)力不再隨著應(yīng)變增加而增大，反而隨著應(yīng)變增加而快速下跌，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，如CD 段，該階段屬于宏觀裂紋擴(kuò)展階段。

從圖4 看出，σt～εt主要經(jīng)歷了3 個(gè)階段：線性遞增階段O’A’、非線性遞增階段A’C’和非線性遞減階段C’D’，其中O’C’為線彈性階段。C’D’為宏觀裂紋擴(kuò)展階段，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。A’C’為微裂萌生、擴(kuò)展階段。和壓力作用下存在孔隙壓密階段不同，在拉力加載初始，拉應(yīng)力和拉應(yīng)變就呈線性遞增關(guān)系，如O’A 段。隨著加載繼續(xù)發(fā)展，巖石內(nèi)部局部微裂紋開始萌生并快速釋放應(yīng)變能，從微裂紋萌生到宏觀裂紋出現(xiàn)這一過程很短，如A’C’段所示，該段的應(yīng)變區(qū)間長度只有5×10-5，因此，拉應(yīng)力作用下微裂紋萌生、擴(kuò)展階段并不顯著，該階段主要克服巖石礦物顆粒之間的粘結(jié)力。到達(dá)應(yīng)力峰值點(diǎn)后，拉應(yīng)力快速下降，如C’D’段。

對比圖3 和圖4 可知，相比軸向壓應(yīng)力與軸向壓應(yīng)變關(guān)系曲線，軸向拉應(yīng)力與軸向拉應(yīng)變關(guān)系曲線沒有壓密階段，微裂紋擴(kuò)展階段也不明顯，峰值后曲線下跌速度更快下跌。相同之處在于，兩種曲線都明顯存在線彈性階段和應(yīng)變軟化階段。究其原因主要在于巖石抗拉和抗壓的變形破壞機(jī)制不同。相比抗拉條件，抗壓條件下巖石空隙會(huì)顯著壓縮，同時(shí)巖石礦物顆粒間、缺結(jié)構(gòu)面間會(huì)產(chǎn)生顯著擠壓摩擦效應(yīng)，擠壓摩擦效應(yīng)會(huì)顯著消耗外力加載產(chǎn)生的變形能，增強(qiáng)巖石存儲(chǔ)變形能的能力，因此擠壓摩擦效應(yīng)會(huì)顯著提高巖石抵抗變形破壞的性能，表現(xiàn)為巖石抗壓性能遠(yuǎn)強(qiáng)于抗拉性能。

3.2 壓、拉強(qiáng)度對比。設(shè)單軸抗壓強(qiáng)度為Yc，單軸抗拉強(qiáng)度為Yt，根據(jù)圖3 和圖4，單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表1。根據(jù)表1，單軸抗壓強(qiáng)度Yc為58.5MPa，單軸抗拉強(qiáng)度Yt為4.2MPa，壓、拉力強(qiáng)度之比為13.9:1?？梢姡瑔屋S抗壓強(qiáng)度大約是單軸抗拉強(qiáng)度的13.9 倍，即紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其單軸抗拉強(qiáng)度。

表1 壓、拉強(qiáng)度對比

由前面的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系分析可知，巖石單軸抗壓和抗拉的變形破壞機(jī)制不同。相比單軸抗拉條件，單軸抗壓條件下巖石內(nèi)部微裂萌生、擴(kuò)展需要克服很大的擠壓摩擦力。單軸抗壓主要發(fā)生壓剪破壞，而單軸抗拉主要發(fā)生拉斷破壞。拉斷破壞比壓剪破壞受到的束縛小。因此，單軸抗壓條件下巖石達(dá)到峰值應(yīng)力所需吸收的應(yīng)變能遠(yuǎn)大于單軸抗拉條件。單軸抗壓條件下巖石承載性能遠(yuǎn)超單軸抗拉條件，表現(xiàn)為單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度。

3.3 強(qiáng)度所對應(yīng)的應(yīng)變的對比。設(shè)單軸抗壓和抗拉條件下強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變分別為εc和εt，它們分別是圖3 和圖4 中所示點(diǎn)C和C’對應(yīng)的應(yīng)變值。根據(jù)圖3 和圖4，εc和εt的試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)表2，εc=2.3×10-3，εt=-1.9×10-4，εc與εt的絕對值之比為12.1：1，可見，εc的絕對值遠(yuǎn)大于εt的絕對值。由于巖石為脆性材料，強(qiáng)度所對應(yīng)的應(yīng)變的絕對值反映了脆性的顯著性，該數(shù)值越小，巖石脆性越顯著，因此，紅砂巖單軸抗拉條件下的脆性遠(yuǎn)比單軸抗壓條件下的顯著。

表2 壓、拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變對比

3.4 壓、拉彈性模量對比。設(shè)單軸抗壓和抗拉條件下的彈性模量分別為Ec和Et。根據(jù)圖3 和圖4，Ec和Et的試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)表2，單軸抗壓彈性模量Ec為30.4 GPa，單軸抗拉彈性模量Et為24.3 GPa，壓、拉彈性模量之比為1.3:1，可見，單軸抗壓彈性模量是抗拉彈性模量的1.3 倍。究其原因在于，相比單軸抗拉條件，單軸抗壓條件下巖石的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系多了孔隙壓密階段，如圖3 中的OA 段所示，壓密階段巖石變得密實(shí)，抵抗變形的能力增強(qiáng)，因此，抗壓彈性模量比抗拉彈性模量大。

對比表1 所示的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可知，抗壓條件下彈性模量雖然比抗拉條件的大，但這種差距不如強(qiáng)度的差距大。巖石彈性模量主要和空隙率相關(guān)，相比抗拉條件，抗壓條件下巖石空隙被擠壓，使得抗壓條件下巖石比抗拉條件下密實(shí)，因此，巖石抗壓彈性模量比抗拉彈性模量大，但是由于巖石內(nèi)部空隙是有限的，因此，巖石抗壓彈性模量和抗拉彈性模量之間的差距不如強(qiáng)度之間的差距大。

表3 壓、拉彈性模量對比

4 結(jié)論

利用單軸抗壓試驗(yàn)和單軸直接拉伸試驗(yàn)分別研究紅砂巖的抗壓和抗拉力學(xué)特性，通過對比和分析壓、拉條件下的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度和彈性模量，得到以下結(jié)論：

4.1 單軸抗壓和單軸抗拉條件下，紅砂巖的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線均有明顯的線彈性階段和應(yīng)變軟化階段。單軸抗壓應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線還有明顯的壓密段和峰值應(yīng)力前的非線性遞增階段。

4.2 紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單軸抗拉強(qiáng)度，前者約是后者的13.9 倍；單軸抗拉條件下紅砂巖的脆性遠(yuǎn)比單軸抗壓條件下顯著，單軸抗壓強(qiáng)度所對應(yīng)應(yīng)變的絕對值大約是單軸抗拉所對應(yīng)值的12.1 倍。

4.3 相對強(qiáng)度對比結(jié)果而言，紅砂巖單軸抗壓彈性模量和單軸抗拉彈性模量之間相差不大，前者大約是后者的1.3 倍。