巖石力學(xué)關(guān)鍵測試：載荷分裂試驗詳解

副標(biāo)題：探究巖石抗拉強(qiáng)度的間接測定方法

在巖石力學(xué)與工程地質(zhì)領(lǐng)域，準(zhǔn)確評估巖體的力學(xué)特性至關(guān)重要。其中，巖石的抗拉強(qiáng)度是巖體工程設(shè)計（如邊坡穩(wěn)定、隧道支護(hù)、地基承載力計算）的關(guān)鍵參數(shù)之一。然而，直接測定巖石抗拉強(qiáng)度（如直接拉伸試驗）操作復(fù)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(jié)果相對可靠，成為國際公認(rèn)的間接測定巖石抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法。

一、 試驗原理與理論基礎(chǔ)

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(nèi)部產(chǎn)生垂直于加載方向的、近似均勻分布的拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的抗拉強(qiáng)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(chǔ)主要基于彈性力學(xué)中的平面應(yīng)力解。在理想條件下（各向同性、均質(zhì)、線彈性材料），試樣中心處的最大拉應(yīng)力（σ_t）可通過以下經(jīng)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(qiáng)度值。

二、 試驗設(shè)備與試樣要求

1. 試驗設(shè)備：

   • 加載框架： 具有足夠剛度和量程的壓力試驗機(jī)或萬能材料試驗機(jī)，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(jī)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(yīng)。
   • 載荷測量裝置： 高精度載荷傳感器，實時記錄載荷值。
   • 數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)學(xué)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(yīng)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(yīng)小于 0.02mm，端面與側(cè)面夾角偏差應(yīng)小于 0.25°。試樣應(yīng)無明顯可見裂紋、缺陷或風(fēng)化跡象。
   • 數(shù)量： 根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)（如 ASTM D3967, ISRM 建議方法）和巖石的變異性，通常每組至少準(zhǔn)備 5-10 個有效試樣。

三、 試驗操作步驟

1. 試樣準(zhǔn)備與測量： 仔細(xì)清潔試樣表面灰塵。使用游標(biāo)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(jī)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(yù)期的劈裂面（即沿加載直徑方向）。
3. 對中與接觸： 調(diào)整試驗機(jī)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(shè)置加載速率： 根據(jù)相關(guān)規(guī)范和巖石類型設(shè)置恒定的加載速率。ISRM 建議導(dǎo)致試樣在 15 秒至 1 分鐘內(nèi)破壞的加載速率（通常范圍在 0.15 - 1.0 MPa/s 的應(yīng)力速率）。記錄加載速率。
5. 加載至破壞： 啟動試驗機(jī)，連續(xù)均勻加載。通過數(shù)據(jù)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(xì)觀察并記錄試樣的破壞形態(tài)。典型的有效破壞應(yīng)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(xiàn)不規(guī)則破裂、多破裂面或明顯壓碎現(xiàn)象，則試驗結(jié)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(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

1. 計算抗拉強(qiáng)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(qiáng)度值。
2. 結(jié)果有效性判別： 嚴(yán)格檢查每個試樣的破壞模式。只有符合標(biāo)準(zhǔn)破壞模式（單一、沿加載直徑的劈裂面）的試驗結(jié)果才被視為有效。
3. 統(tǒng)計處理： 計算有效試樣抗拉強(qiáng)度的算術(shù)平均值（σ_t(avg)）作為該組巖石試樣的平均抗拉強(qiáng)度。根據(jù)需要計算標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計量，評估結(jié)果的離散程度。
4. 報告內(nèi)容： 試驗報告應(yīng)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(qiáng)度（σ_t）、平均抗拉強(qiáng)度（σ_t(avg)）、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、試樣破壞模式描述及照片（可選）、試驗依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

五、 應(yīng)用與局限性

• 主要應(yīng)用：

  • 快速、經(jīng)濟(jì)地評估巖石材料的抗拉強(qiáng)度。
  • 為巖石力學(xué)分類、工程設(shè)計參數(shù)選取提供依據(jù)。
  • 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(fēng)化、水巖作用等環(huán)境因素下的抗拉性能劣化。

• 局限性：

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

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載荷分裂試驗作為測定巖石抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)間接方法，憑借其簡便性、經(jīng)濟(jì)性和良好的實用性，在巖石力學(xué)研究和工程實踐中不可或缺。理解其基本原理、嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果局限性的清醒認(rèn)識，是確保獲得的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、具有工程參考價值的關(guān)鍵。該試驗結(jié)果為評估巖體在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)提供了重要的定量依據(jù)。