巖石力學關鍵測試：載荷分裂試驗詳解

副標題：探究巖石抗拉強度的間接測定方法

在巖石力學與工程地質領域，準確評估巖體的力學特性至關重要。其中，巖石的抗拉強度是巖體工程設計（如邊坡穩(wěn)定、隧道支護、地基承載力計算）的關鍵參數之一。然而，直接測定巖石抗拉強度（如直接拉伸試驗）操作復雜、成功率低且對試樣制備要求極高。載荷分裂試驗（常稱為巴西劈裂試驗）因其試樣制備簡單、操作便捷且結果相對可靠，成為國際公認的間接測定巖石抗拉強度的標準方法。

一、 試驗原理與理論基礎

載荷分裂試驗的核心原理是利用線載荷作用于圓柱體或圓盤狀巖石試樣的直徑方向，在試樣內部產生垂直于加載方向的、近似均勻分布的拉應力。當該拉應力達到或超過巖石的抗拉強度極限時，試樣將沿加載軸所在的直徑平面發(fā)生典型的劈裂破壞。

其理論基礎主要基于彈性力學中的平面應力解。在理想條件下（各向同性、均質、線彈性材料），試樣中心處的最大拉應力（σ_t）可通過以下經典公式計算：

σ_t = (2P) / (π D t)

其中：

• P 為試樣破壞時的最大載荷（單位：牛頓 N 或千牛 kN）；
• D 為試樣的直徑（單位：毫米 mm 或米 m）；
• t 為試樣沿加載方向的厚度（即高度，單位需與 D 一致）。

因此，通過記錄破壞載荷和測量試樣尺寸，即可間接計算出巖石的抗拉強度值。

二、 試驗設備與試樣要求

1. 試驗設備：

   • 加載框架： 具有足夠剛度和量程的壓力試驗機或萬能材料試驗機，能提供穩(wěn)定、可控的加載速率。
   • 專用承壓墊條： 置于試樣與試驗機壓板之間。墊條通常為硬度高于試樣的金屬材料（如淬火鋼），寬度約為試樣直徑的 1/10 - 1/15，截面可為平面或輕微圓弧形。其作用是保證載荷基本沿試樣直徑的線接觸加載，并減少加載端的局部壓碎效應。
   • 載荷測量裝置： 高精度載荷傳感器，實時記錄載荷值。
   • 數據采集系統(tǒng)： 記錄載荷-時間或載荷-位移曲線。

2. 試樣要求：

   • 形狀尺寸： 標準試樣為圓柱體（圓盤），直徑（D）通常為 NX 巖心尺寸（約 54mm）或更大。國際巖石力學學會（ISRM）建議 D/t ≈ 0.5 - 1.0。常見尺寸如直徑 50mm，厚度 25mm 或 30mm。試樣兩端面應平整、平行，且垂直于圓柱體軸線。
   • 加工精度： 端面平行度誤差應小于 0.02mm，端面與側面夾角偏差應小于 0.25°。試樣應無明顯可見裂紋、缺陷或風化跡象。
   • 數量： 根據測試標準（如 ASTM D3967, ISRM 建議方法）和巖石的變異性，通常每組至少準備 5-10 個有效試樣。

三、 試驗操作步驟

1. 試樣準備與測量： 仔細清潔試樣表面灰塵。使用游標卡尺或千分尺精確測量試樣加載方向上的直徑（D，取兩次垂直測量的平均值）和厚度（t）。
2. 安裝試樣： 將試樣豎直放置在試驗機下壓板中心。將兩條承壓墊條分別放置在試樣上下兩端面的中心位置，確保墊條長軸方向垂直于預期的劈裂面（即沿加載直徑方向）。
3. 對中與接觸： 調整試驗機上壓頭，使其輕微接觸上墊條，確保試樣和墊條系統(tǒng)良好對中，避免偏心加載。
4. 設置加載速率： 根據相關規(guī)范和巖石類型設置恒定的加載速率。ISRM 建議導致試樣在 15 秒至 1 分鐘內破壞的加載速率（通常范圍在 0.15 - 1.0 MPa/s 的應力速率）。記錄加載速率。
5. 加載至破壞： 啟動試驗機，連續(xù)均勻加載。通過數據采集系統(tǒng)實時記錄載荷值，直至試樣發(fā)生破壞（通常伴隨清晰可聞的破裂聲和載荷的急劇下降）。
6. 記錄破壞模式： 仔細觀察并記錄試樣的破壞形態(tài)。典型的有效破壞應是由加載直徑兩端點起始，沿加載直徑平面貫通整個試樣厚度的單一劈裂面（見圖示）。若出現不規(guī)則破裂、多破裂面或明顯壓碎現象，則試驗結果可能無效。
7. 采集破壞載荷： 記錄試樣破裂瞬間的最大載荷值（P）。

四、 數據處理與結果分析

1. 計算抗拉強度： 對每個有效破壞的試樣，使用公式 σ_t = (2P) / (π D t) 計算其抗拉強度值。
2. 結果有效性判別： 嚴格檢查每個試樣的破壞模式。只有符合標準破壞模式（單一、沿加載直徑的劈裂面）的試驗結果才被視為有效。
3. 統(tǒng)計處理： 計算有效試樣抗拉強度的算術平均值（σ_t(avg)）作為該組巖石試樣的平均抗拉強度。根據需要計算標準差、變異系數等統(tǒng)計量，評估結果的離散程度。
4. 報告內容： 試驗報告應包含：巖石類型描述、試樣尺寸（D, t）、加載速率、破壞載荷（P）、計算得到的每個有效試樣的抗拉強度（σ_t）、平均抗拉強度（σ_t(avg)）、標準差、變異系數、試樣破壞模式描述及照片（可選）、試驗依據的標準規(guī)范。

五、 應用與局限性

• 主要應用：

  • 快速、經濟地評估巖石材料的抗拉強度。
  • 為巖石力學分類、工程設計參數選取提供依據。
  • 研究巖石的各向異性（不同方向取樣測試）。
  • 評估巖石在凍融、風化、水巖作用等環(huán)境因素下的抗拉性能劣化。

• 局限性：

  • 應力分布假設： 公式基于理想線彈性、均質、各向同性假設。實際的巖石常存在非均質性、微裂隙、各向異性，導致應力分布偏離理想狀態(tài)，影響結果精度。
  • 端部效應與尺寸效應： 加載點附近的局部壓碎、試樣尺寸（D/t比）對結果有一定影響。
  • 破壞模式依賴性： 結果的可靠性高度依賴于是否獲得標準的劈裂破壞模式。非標準破壞（如錐形破壞、多級破裂）會導致結果顯著偏離真實抗拉強度。
  • 加載速率影響： 加載速率會影響巖石的破壞強度和破壞模式。
  • 非直接測量： 本質上是間接測量法，其理論基礎和有效性需要通過與其他方法（如直接拉伸、彎曲試驗）或實際工程表現進行對比驗證。

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載荷分裂試驗作為測定巖石抗拉強度的標準間接方法，憑借其簡便性、經濟性和良好的實用性，在巖石力學研究和工程實踐中不可或缺。理解其基本原理、嚴格遵守標準化操作流程（包括試樣制備、加載控制、破壞模式判別）以及對試驗結果局限性的清醒認識，是確保獲得的抗拉強度數據準確、可靠、具有工程參考價值的關鍵。該試驗結果為評估巖體在拉伸應力狀態(tài)下的力學響應提供了重要的定量依據。