北山花岗岩直接拉伸与巴西劈裂试验研究★

苗 雨 生

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

1 概述

根据我国已开展的关于高放废物处置库选址和场址评价研究、处置库设计调研等工作，经过全国筛选和地区预选,已初步确定甘肃北山预选区为我国高放废物处置库首选预选区[1]。库址预选区所在地有着完整的花岗岩体,对预选区进行钻孔勘探，典型钻孔所揭露的岩性以海西期花岗闪长岩和英云闪长岩为主体。

直接拉伸和巴西劈裂试验是国际岩石力学学会以规范的形式确定的室内试验获得岩石单轴抗拉强度的直接方法和间接方法[2]。对比分析北山花岗岩巴西劈裂试验与直接拉伸试验两种测定抗拉强度的试验方法与结果，为我国高放废物地质处置库地下工程的设计和建设提供围岩基础参数借鉴与参考。

2 试验测试

2.1 试件制备

试验测试花岗岩取自甘肃北山，取样部位为地下埋深560 m～690 m，主要岩性为中细粒花岗闪长岩和中粒花岗闪长岩。由于现场钻取的深部岩芯直径为60 mm，无论长度还是直径皆不满足DL/T 5368—2007岩石力学试验规程规定的试件尺寸要求，因此需要对现场钻取的直径较大的深部岩样进行室内加模钻芯取样，从中钻取出可用于试验的直接拉伸标准岩石试件6个，巴西劈裂标准岩石试件3个。

2.2 试验原理

参照《工程岩体试验方法标准》[3]规定的岩石抗拉强度测试、计算方法，按照式(1)计算直接拉伸抗拉强度：

(1)

其中，σdt为岩石直接拉伸抗拉强度，MPa；Pd为直接拉伸荷载，N；A为试件横截面面积，mm2。

巴西劈裂试验中抗拉强度按照式(2)进行计算:

(2)

其中，σt为试验试件的抗拉强度，MPa；P为破坏荷载，N；D为试件直径，mm；H为试件高度，mm。

2.3 试验过程

利用山东大学自行研制的岩石直接拉伸试验对中装置[4]开展直接拉伸力学试验，主要测试岩石的抗拉强度、拉伸弹模、极限拉应变。利用粘结对中装置将试件与拉头粘结。在粘结好的试件上粘贴应变片，粘贴的应变片需包括横向与竖向两个方向，每个试件粘3组。将粘结好的试件安装在WDW-100E万能试验机上，将应变片与XL2101G静态电阻应变仪相连。先施加0.1 kN拉力消除拉伸对中装置各连接构件之间的间隙，然后同时以等时间间隔开始采集应力和应变数据，以0.05 mm/min的速度施加拉力，直至试件拉断。

巴西劈裂试验将岩石试件平置于WDW-100E万能试验机压力机承压板中心，调整有球形座的承压板使试样均匀受载。保持室温25 ℃的情况下，以每秒0.5 MPa的加载速度加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏载荷。

3 试验结果及分析

3.1 强度及变形分析

直接拉伸和巴西劈裂破坏后岩石形态见图1，试验得到的各试件抗拉强度见表1。

表1 各试件抗拉强度列表

试验类别试验编号抗拉强度/MPa平均强度/MPaDTS/BTS直接拉伸巴西劈裂DT-15.00DT-24.40DT-35.03DT-44.83DT-54.87DT-64.37BT-16.33BT-26.46BT-37.284.756.690.71注:DTS为岩石直接拉伸强度,BTS为巴西劈裂间接拉伸强度

由图1直接拉伸岩石破坏形态清晰表明花岗岩直接拉伸破坏面大部分出现在中部附近的均匀受拉区，试件拉伸破坏面与试件轴线接近垂直，破坏断面新鲜平整，几乎没有产生碎屑或碎片，没有剪切破坏痕迹。试验过程中当试件断裂时，会伴有清脆响声，是典型的脆性拉断破坏。由图2破坏断面表明巴西劈裂为沿预定加载方向发生的劈裂破坏状态，破坏断面平整，但试件上下加载区出现压缩区，并产生岩石碎屑。

试验得到的北山花岗岩直接拉伸平均抗拉强度为4.75 MPa，巴西劈裂测得平均抗拉强度为6.69 MPa，两者比值约为0.71，巴西劈裂试验测试获得的岩石抗拉强度比直接拉伸试验测试获得的抗拉强度高近30%，这是因为巴西劈裂理论模型与实际受力状态不符，巴西劈裂试验的理论模型是将受力试样简化为弹性的二维模型，而在实际试验过程中，其受力状态是非常复杂的三维问题。由岩石直接拉伸破坏形态可以看出，试样的破坏面应出现在均匀受拉段的最弱面，而巴西劈裂试验假定的受拉破坏面并不一定是试样的最软弱面。直接拉伸强度和巴西劈裂拉伸强度的差异及破坏状态表明，采用直接拉伸得到的抗拉强度相对巴西劈裂能更加真实、可靠地反映北山花岗岩的抗拉强度特性。

3.2 破坏断面微细观特征分析

为了揭示岩石破坏的微细观破裂机制，选取花岗岩巴西劈裂与直接拉伸破坏的典型断口进行了微细观电镜扫描试验，试验在SUPRA 55热场发射扫描电子显微镜上进行。两种试验破裂断口的电镜扫描照片如图3,图4所示。

直接拉伸破坏断面以晶间断裂为主，存在部分穿晶断裂。晶间断裂的断口比较平整，多发生在晶面与受拉力方向垂直时，沿垂直于加载方向的晶粒间微观裂纹面断裂。穿晶断裂多是晶粒内部发生断裂，断裂面不平整，有明显的棱角，多发生在柱状或片状晶体的结晶方向与受拉力方向平行时。对比图4巴西劈裂断口存在明显的片状晶体穿晶断裂痕迹，与直接拉伸破坏断口相比，整体比较破碎，晶体断裂产生的棱角已被磨平，有大量碎屑产生，属于明显的剪切痕迹。

结合北山花岗岩直接拉伸和巴西劈裂试验结果抗拉强度对比，花岗岩晶体和晶界抗拉强度强于晶间抗拉强度，晶间存在微裂纹，抗拉强度更为薄弱，巴西劈裂中穿晶断裂的粗糙性明显增加了断裂表面面积，其破坏过程需要更多的能量耗散，由此揭示了花岗岩直接拉伸破坏强度低于巴西劈裂破坏强度的原因。

4 结语

1)研究得到了北山花岗岩直接拉伸和巴西劈裂破坏变形和强度特征。直接拉伸强度低于巴西劈裂强度，比值约为0.71，直接拉伸测试方式可更加真实反映北山花岗岩的抗拉强度。

2)利用电镜扫描，从微细观角度对花岗岩不同拉伸破坏状态的形貌特征进行了研究。得到了直接拉伸以晶间断裂和穿晶断裂为主，巴西劈裂则以穿晶断裂为主，这种断裂破坏方式的差异是导致不同拉伸测试方式强度差异的原因。