红砂岩巴西劈裂强度和极限应变的尺寸效应

李颖++王贾博

摘 要：为研究红砂岩中巴西劈裂强度和破坏极限应变的尺寸效应，试验采用了直径50mm，高度分别为20、25、30、35、40、45、50mm等7组不同厚度的红砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验，同时在试件圆盘中央黏贴应变片监测试件加载直至破坏过程中的横向应变、纵向应变。试验发现，不同厚度下的红砂岩试件所得巴西劈裂抗拉强度不同，试验回归分析了红砂岩中巴西劈裂抗拉强度与厚度的关系，在20～30mm厚度范围内，劈拉强度随厚度的增加而增大，在30～50mm范围内，劈拉强度随厚度增加而无明显变化。

关键词：红砂岩 尺寸效应 巴西劈裂 极限应变

中图分类号：TU458+.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0233-02

抗拉强度是岩石重要的力学指标之一，其主要试验方法有直接拉伸法和巴西圆盘劈裂法。直接拉伸法一般需要用环氧树脂胶将标准圆柱体试件固定在试验机两端[1]，由于对中困难不易，数据离散性大，在实践中已较少采用，而巴西圆盘劈裂试验通过对圆盘试件施加荷载间接得到水平侧向拉应力，简单方便，在实际测试中使用较多。

尽管如此，巴西劈裂试验仍然存在两点主要缺陷：一是集中力作用下加载导致圆盘上下端点处应力集中过大可能导致的局部破坏，二是不同厚度试件高径比的测试结果具有显著的尺寸效应。国家标准《工程岩体试验方法标准》和行业标准《水利水电工程岩石试验规程》中规定，试件厚度宜为直径的0.5～1.0倍，即25～50mm，但此范围较大，不同厚度试件得出的试验结果不尽相同，不同类型岩石的尺寸效应也不尽相同，有必要对巴西劈裂强度的尺寸效应进行进一步的探索[2]。

本文采用7组不同厚度的红砂岩圆盘试件对研究厚度对巴西劈裂抗拉强度（以下简称劈拉强度）的影响进行了试验探索，试验对7组（20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm）厚度进行巴西劈裂试验，每组5～7块试样不等，分析了劈拉强度随厚度的关系。在圆盘试件中央区域粘应变片测量了试验过程中的横向和纵向应变变化，测量了试样的极限应变。

1 试验条件及方法

本试验所用的岩石为红砂岩，岩块完整性较好，无裂隙，暗红色，质地均匀致密，密度为2450kg/m3，单轴抗压强度为78.29MPa。

巴西劈裂试验所用试样加工成直径50mm，厚度分别为20，25，30，35，40，45，50mm的7组圆柱形试样，同一厚度的试样5～7个，共计41个。

Rocco等[3]通过计算得出结论，在巴西劈裂试验中，试件承压带的宽度与直径相比较小的情况下得出的劈裂抗拉强度值，与集中力作用下得到的强度值大致相当。因此，本文所述巴西劈裂试验直接用试验机端面进行劈裂加载。

试验在MTS-CDT1504型刚性伺服试验机上开展，试验中加载方式采用位移控制法，位移速率为0.03mm/min，同时在圆盘圆心区域黏贴应变片，使用程控静态电阻应变仪监测试验过程中试样破坏面处的横向和纵向应变，采样频率1Hz，对采集的数据用巴西劈裂的弹性解式（1）进行计算。

（1）

式中P为峰值荷载，D为试件直径，L为试件厚度。

2 试验结果

劈裂破坏后的试件如图1所示，不同厚度组对应的劈拉强度见表1。

采用负指数型函数拟合劈拉强度-厚度函数见图2。

由图2结合误差棒分析可以看出，劈拉强度随着厚度的增加而增大，在20～30mm较小厚度范围劈拉强度随厚度增长较大，超过30mm的厚度范围内劈拉强度并未有明显增大。

国内研究者[4-6]提出，岩样尺寸增大，强度的平均值减小，离散性减小。国外Elkadi等[6]对混凝土破裂的尺寸效应也有类似观点，认为强度随着试样尺寸的增大而减小。本试验中，并未明显看出这一规律，反而厚度越大劈拉强度越大，离散性增大。笔者认为，可能是由于红砂岩圆柱形试件在受到轴向压力加载的过程中，不断受到垂直于圆盘面的中心线方向向试件内侧约束的“箍力”，且厚度越大受到的箍力越大，试件破坏需要加载的最大压力值也越大。徐燕飞等[7]试验所用硅质砂岩劈拉强度也随着厚度的增加而增大。

Perras等[8]表明，劈裂抗拉强度值通常比直接拉伸强度值更大，且对于不同类型岩石来说，劈裂抗拉强度值和直接拉伸强度值间的比例换算系数不同。本试验所述的“箍力”约束的影响能较好地对该现象解释，因为箍力作用而导致劈裂抗拉强度比理想弹性解计算值偏大，而对于不同类型的岩石，由于各类地质因素的影响而制作的试件表面粗糙程度不等，因此产生的箍力大小有较大差异，试验所得的劈裂抗拉强度值与直接拉伸所得的抗拉强度值也各不相同。

3 不同厚度下极限应变的变化

不同厚度组对应的平均极限应变见图3。

通过图3可以看出，极限应变并没有随着厚度的增加呈现一定的规律。

4 结论

（1）红砂岩中，劈拉强度随着厚度的增加而增大，在20～30mm较小厚度范围劈拉强度随厚度增长较大，超过30mm的厚度范围内劈拉强度并未有明显增大。巴西圆盘劈裂试验中端部摩擦导致的箍力影响不可忽视。

（2）对于破坏极限应变，并没有看出尺寸效应的影响，可能由于应变片粘贴不牢、应变仪的采样频率较低，岩样的样本数不足等原因，值得进一步探索。

参考文献

[1] 张绪涛，张强勇，袁圣渤，等.岩石轴向直接拉伸试验装置的研制及应用[J].岩石力学与工程学报， 2014（12）：2517-2523.

[2] 郭明伟，邓琴，李春光，等.巴西圆盘试验问题与三维抗拉强度准则[C]//中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会.2008.

[3] Rocco C，Guinea G V， Planas J，et al. Size effect and boundary conditions in the brazilian test：theoretical analysis[J]. Materials & Structures，1999，32（6）：437-444.

[4] 尤明慶，邹友峰.关于岩石非均质性与强度尺寸效应的讨论[J].岩石力学与工程学报，2000，19（3）：391-395.

[5] 董陇军，李夕兵.岩石试验抗压、抗拉区间强度及代表值可信度研究[J].岩土工程学报，2010（12）：1969-1974.

[6] Elkadi A S， Mier J G M V. Experimental investigation of size effect in concrete fracture under multiaxial compression[J]. International Journal of Fracture， 2006， 140（1-4）：55-71.

[7] 徐燕飞，赵伏军，王国举，等.不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应[J].矿业工程研究，2012，27（4）：7-12.

[8] Perras M A.A Review of the Tensile Strength of Rock[J].Geotechnical & Geological Engineering，2014，32（2）：525-546.endprint