三种岩石巴西劈裂及单轴压缩试验对比研究

陈招军，王乐华，金 晶，黄 强，龚家伟

(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

岩石的力学性质是岩石力学研究的主要内容之一，是岩石力学响应机制、本构模型、数值模拟及工程设计与施工的重要基础［1-2］。刘恺德等［3］在对煤岩进行巴西劈裂及单轴压缩试验时发现，煤岩的抗压强度远大于抗拉强度。喻勇等［4］对三峡花岗岩进行了劈裂法和单轴压缩试验，发现2/3试样的弹性模量与劈裂模量的比值为16∶22。洪亮等［5］研究了花岗岩、砂岩、石灰岩的动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应。W.F.Brace等［6-7］针对不同岩石的破裂过程进行了相关研究，并提出裂纹发展过程的应力门槛值，即裂纹起始应力和裂纹破坏应力。张晓平等［8］研究了在不同加载条件下丹巴二云英片岩的应力门槛值，结果发现片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性。王彦琪等［9］研究了煤、砂岩和水泥砂浆小试件(Ф50 mm×100 mm)在单轴压缩条件下的破坏过程和破坏规律，并利用显微CT系统对煤样、水泥砂浆试件的单轴压缩试验进行了全程的实时监测。余斐等［10］对大理岩、花岗岩和砂岩进行单轴压缩试验，运用声发射仪监测岩石破坏过程中的声发射活动。

由于不同岩石的矿物成分、结构及胶结物成因各不同，岩石的物理力学特性千差万别，各自在拉伸与压缩条件下变形特性也不完全相同，破坏形式也有差别。目前，鲜有从岩石组成、成因的角度对强度差异较大的岩样的变形特性进行研究。为此，本文对取自雅砻江两河口水电站坝址的砂板岩、三峡库区的砂岩和宜昌城区附近的泥岩这3种力学特性相差较大的岩样试件开展巴西劈裂和常规单轴压缩试验，从变形过程、破坏模式、弹性模量和泊松比等进行全面比较，分析3种岩样组成成分和成因对变形特征和破坏模式的影响。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

试验中所采用的3种岩样分别为砂板岩、砂岩、泥岩。其中，砂板岩取自雅砻江两河口水电站坝肩边坡，灰黑色，岩性致密，脆而坚硬，含水率和孔隙率都较低，裂隙较发育，主要由粉砂级的长石、石英组成，还含有少量绢云母、绿泥石，平均密度2794.5 kg/m3，为变质岩;砂岩取自三峡库区秭归沙镇溪白水河滑坡，灰白色，结构松散，较坚硬，含水率较低，孔隙率较高，主要由石英胶结而成，平均密度2593.67 kg/m3，为沉积岩;泥岩取自宜昌城区某一路基边坡，砖红色，胶结程度差，含水率较高，孔隙度大，荷载作用下塑性变形显著，膨胀性强，主要由细粒的泥质粘土矿物胶结而成，还含有少量的细砂粒，平均密度2312.93 kg/m3，为沉积岩。

通过取样、切割、打磨和试样加工，得到砂板岩、砂岩、泥岩试样(见图1)。试样在三峡大学重点实验室加工完成，对试样的加载端面进行了细致研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，符合国际标准。试样表面光滑，没有明显缺陷。对制备好的试样进行超声波测试选样［11］，剔除纵波波速偏差较大的试样，选取9个Ф50 mm×100 mm的标准压缩试样(每种岩样3个为1组)以及12个Ф50 mm×50 mm的劈裂试样(每种岩样4个为1组)。单轴压缩试验中砂板岩编号为BY-1、BY-2、BY-3，砂岩为SY-1、SY-2、SY-3，泥岩为RY-1、RY-2、RY-3;劈裂试验中砂板岩编号为 BP-1、BP-2、BP-3、BP-4，砂岩为 SP-1、SP-2、SP-3、SP-4，泥岩为RP-1、RP-2、RP-3、RP-4。

图1 砂板岩、砂岩和泥岩试样

1.2 试验设备

采用三峡大学重点实验室的RMT-150C岩石力学试验机(见图2)，其最大垂直加载力可达到1000 kN，变形控制速率的变化范围可控制在10～1 mm/s之间，最大围压可加到50 MPa，力加载速率的变化范围在0.01～100 kN/s之间。试验机可以自动化控制，试验过程中可对试验对象采用位移、行程和荷载控制，也可进行正弦波、三角波、方波3种标准加载波形的疲劳试验。该设备所有功能参数均满足试验要求。

图2 RMT-150C岩石力学试验机

2 不同岩样巴西劈裂试验

2.1 试验方案

采用行程控制方式，设置加载速率为0.1 kN/s。由于3种岩样抗拉强度差异较大，以抗拉强度最大岩石为标准，选取力终点为60 kN，加载直至岩样破坏。

2.2 劈裂试验结果分析

砂岩和泥岩试样的破坏面都通过2个垫条决定的平面，且裂纹面比较平直，主要是由于砂岩和泥岩由成分均匀的物质胶结而成，在集中力的作用下，圆盘试样端面中点处拉应力值较大，裂纹沿着端面中点向内部发展［12］，最后大部分试样被劈裂成近似均匀的2部分。而砂板岩破坏面不唯一，裂纹面偏离圆盘中心，部分次破坏面靠近端部侧边以斜破坏面为主，主要由于砂板岩内部裂隙发育，方向不规则，结构面处填充物抗拉能力弱，在张拉力的作用下，岩样极易沿着这些薄弱面破坏。试样破坏见图3。3种岩样抗拉强度与横向应变的关系见图4。巴西劈裂试验结果见表1。从图4和表1中可以看出:

图3 试样破坏

(1)在巴西圆盘劈裂试验中，不同材质岩石具有不同的特征。砂板岩和砂岩在压密阶段后表现为线弹性，达到峰值强度后迅速跌落。其中，砂板岩表现为脆性破坏，砂岩为劈裂张拉破坏。泥岩在压密阶段后表现近似线弹性，达到峰值强度后还表现一定的延性，属劈裂张拉破坏。

(2)3种岩样的抗拉强度均具有一定的离散性，这与岩样分布的随机性和物理力学性质相关。砂板岩的抗拉强度为 10.324～21.478 MPa，砂岩为4.755～7.204 MPa，泥岩为 1.847～2.442 MPa。3种岩样的平均抗拉强度依次为13.793、5.813 MPa和2.147 MPa，平均抗拉强度之比为1∶0.42∶0.16。从3种岩石的组成成分看，砂板岩由石英、长石组成，砂岩由石英组成，泥岩主要由泥质组成，石英和长石岩性质密、坚硬，抗拉能力自然强于泥质，而泥质抗拉能力弱但韧性强，在较低的应力下应变较大。从3种岩石的成因来分析，砂板岩是由长石、石英、绢云母、绿泥石等在特定环境下高温、高压和化学流体发生物理化学变化而形成的岩石，物质成分之间的结合力强;砂岩是由石英颗粒在常温常压下胶结而成，胶结力由物理作用形成，比物化作用形成的结合力要弱;泥岩是由泥质粘土和少量的砂粒胶结而成，胶结程度差，颗粒松散，胶结力比砂岩的弱，抗拉能力最弱。

表1 3种岩样巴西劈裂试验结果

(3)砂板岩弹性模量为0.878～1.985 GPa，泊松比为0.031～0.067;砂岩弹性模量为0.402～0.844 GPa，泊松比为0.025～0.146;泥岩弹性模量为0.97～1.178 GPa，泊松比为0.021～0.121。3种岩样巴西劈裂条件下得到的平均弹性模量依次为1.470、0.602 GPa和 0.894 GPa，平均泊松比为0.044、0.07和0.084。变形参数对比发现，每种岩样各变形参数离散性明显，3种岩样弹性模量、泊松比均存在明显差异，说明岩性不同对变形参数有影响。

图4 3种岩样抗拉强度与横向应变的关系

3 不同岩样单轴压缩试验

3.1 试验方案

采用行程和位移2种控制方式。预加载采用行程控制，砂岩和砂板岩抗压强度相对较高，加载速率为0.2 kN/s，加载至10 kN;泥岩抗压强度相对较低，加载速率为0.1 kN/s，加载至5 kN。预加载完成后，3种岩样统一以位移加载控制，加载速率为0.005 mm/s，直至岩样破坏。

3.2 单轴压缩试验结果分析

岩石在常规单轴试验条件下，3种岩样的破坏形态有如下特点:①砂板岩有明显的剪切破坏面，剪切面跟岩样轴向成一定的倾角，破坏方式主要表现为压剪破坏，而砂岩和泥岩的破坏面与端面近似垂直，主要以张拉劈裂破坏为主;②3种岩样破坏产生的碎屑均较少，砂板岩和砂岩岩样一般破裂成2～4块，而泥岩岩样一般破裂成数块，大小不一，主要由于组成泥岩的泥质粘土胶结程度差，而膨胀性和韧性强;③砂板岩试样破坏时有2条贯通的裂纹;砂岩有4条;泥岩有10条，其中贯通2条。在荷载作用下，抗压强度小的岩石裂纹发展更加充分。3种岩样典型单轴压缩破坏形态见图5。

图5 3种岩样单轴压缩破坏形态

3.3 应力-应变关系特性

3种岩样常规单轴压缩试验的应力-应变曲线见图6。从图6可知，砂板岩在压密阶段后表现出较好的线弹性，强度达到应力峰值后应力迅速跌落，呈脆性破坏，几乎不表现残余强度，表现为弹脆性变形的特性。这主要是由于在应力作用下旧的裂隙继续发育、发展的结果。砂岩在压密阶段之后达到峰值强度之前，先产生较小的塑性变形，之后几乎为线弹性的，到达峰值强度之后有一定的残余强度，在试件发生破坏的那一刻发出了清脆的破断声，随后应力便迅速跌落，表现为塑弹性变形的特性。这主要由于砂岩内部空隙率比较高，在预加载时物质颗粒间孔隙被压密，当应力达到裂纹发生的临界值后，随着应力的增大裂纹继续发展直至破坏。泥岩在强度达到峰值强度之前，随着荷载的增加表现出稳定变形阶段，而到达峰值强度之后，塑性变形加速，即产生不稳定的变形，呈现塑性破坏，表现一定的残余强度，为弹塑性变形的特性。这主要由于泥岩物质颗粒间的流动性较高，韧性和膨胀性较强，使泥岩在低应力状态下表现出蠕变的特性，同时，较高的含水率又导致泥岩强度降低。

3种岩样单轴压缩试验结果见表2。从表2可知，砂板岩、砂岩和泥岩各自单轴抗压强度、变形参数存在离散性，这与岩样分布的随机性和物理力学性质相关。3种岩样单轴压缩条件下平均抗压强度分别为102.596、86.075 MPa和17.992 MPa，比值为 5.7∶4.8∶1;平均弹性模量分别为 43.620、20.81 GPa和 1.792 GPa，其比值为 24.3∶11.6∶1;平均泊松比分别为0.248、0.292和0.423，其比值为1∶1.177∶1.706。再一次证明岩石的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比与岩石的组成成分和成因密不可分。从3种岩样破坏持续时间看，泥岩持续时间最长，再次证明泥岩蠕变特性。

4 对比分析

3种岩样各自平均抗压强度与平均抗拉强度的比值分别为7.438、14.867和8.38;而由巴西劈裂试验的得到弹性模量、泊松比明显小于单轴压缩条件下的，且压缩条件下的平均弹性模量与各自劈裂条件下的比值分别为29.7、34.6和2。由此可见，不同岩石材料的抗压强度远大于其抗拉强度;不同的加载方式对同一种岩石的变形参数也有影响。

图6 3种岩样轴向应力与轴向应变、横向应变的关系

5 结论

利用RMT-150C岩石力学试验机对砂板岩、砂岩和泥岩进行巴西劈裂试验和常规单轴压缩试验，研究了3种岩样破坏特征、应力-应变关系特性以及弹性模量和泊松比等参数，得出了以下结论:

(1)巴西劈裂试验中，砂板岩表现脆性破坏，砂岩和泥岩为劈裂张拉破坏，泥岩在达到峰值强度后还表现一定的延性。砂岩、泥岩岩样在集中力的作用下都被劈裂成2部分，裂纹基本通过圆盘中心，而砂板岩破坏面不唯一，偏离圆盘中心。

(2)常规单轴压缩试验中，砂板岩以剪切破坏为主，裂纹较少，且与轴向成一定的倾角。砂岩和泥岩主要以张拉劈裂破坏为主，裂纹较多，大多与轴向平行。

(3)3种岩样各自的抗拉强度、抗压强度及变形参数均存在离散性，主要由于岩样分布的随机性和物理力学性质差异性，以及组成岩样的矿物成分不同，岩样的成因也不同。

(4)不同岩石材料的抗压强度远大于其抗拉强度，不同的加载方式也会影响岩石的变形参数。

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