岩石拉伸剪切破裂试验研究

工作提供参考和借鉴。

关键词：岩石；拉伸剪切破裂；试验

岩石拉伸剪切破裂是一种复合破裂模式，针对岩石拉伸剪切破裂进行试验，分析试验的结果，可以为今后岩石的研究和应用提供更多的数据参考，提升岩石研究的水平。

一、岩石破裂的原因

首先，正因为它是刚硬的，所以才会破裂。如果它像生面团那样有很好的塑性。就不容易破裂了。如果是液体，更无所谓破裂。绝大多数地震都发生在地下70千米以内，特别集中在地下5-20千米上下。这不是偶然的。因为在地下较深的地方。温度高，压力大。坚硬的岩石也具有一定的塑性。就不么容易破裂了；即使破裂，因它积累的能量不是很大，震级不会太高。

在地下，存在着各种形式的力的作用。而且这些力会在地下某些处所积累加强。当增大到使那里的岩石承受不了时，岩石破裂就发生了。在这个变动中起主要作用的是地壳运动。

在地壳运动的过程中。地壳的不同部位受到了挤压、拉伸、旋扭等力的作用。那些构造比较脆弱的地方就容易破裂，引起断裂变动。这种变动成为地震的主要原因。全世界90%以上的地震。都是由于地壳的断裂变动造成的，这类地震称为构造地震。现在我们要预报、预防的。主要就是这种构造地震。此外，火山爆发、洞穴坍塌等也可造成地震。但数量都很少，规模也很小。因此地震也可以说是现今地壳运动的一种表现。

二、岩石拉伸剪切试验仪器与设备研发

目前进行岩石拉伸剪切的试验仪器，主要是以材料试验机为基础的第一代岩石力学试验技术与设备，试验测量和控制技术相对落后。为了更好地刻画和表征岩石拉伸剪切力学试验过程，减小试验测量误差和系统刚度影响，采用了SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪，该设备能够实现岩石拉伸剪切应力条件伺服控制加载功能，可以实时获得试验全过程岩样的法向变形、水平变形、法向荷载、水平荷载、法向位移和水平位移。

（一）仪器特点

SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪最大的特点是简化了岩样的制作过程，它采用从钻孔中取出的岩心，切取径高比1∶1岩石试件5-8块，即可做抗剪试验。该仪器用于测定岩石的抗剪强度，通过剪切试验能迅速，准确地获取岩石的抗剪参数：内聚力（C）和内摩擦角（Φ），为岩石地基和边坡工程等提供可靠的地质数据。具有外观精致，结构合理，测读准确，体积小，重量轻，省电，适用等特点。

（二）主要参数

其最大荷载范围垂直0-30kN，水平0-70kN。测量精度0.5%（示值）。所测试试样规格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50 等。可在环境温度-10-40℃、相对湿度85%的条件下长期连续使用。具有在短期超载20%的超载特性，但不允许长时间超载，以免损坏传感器。读数锁存水平为2-70kN。手动油泵的最大工作压力70MPa，外观尺寸580×115×115mm，使用46号液压机油。仪器整体重量不超过25kg。

（三）调试与使用方法

连接好电源和传感器等后，调整数字显示仪的X通道和Y通道的增益和调零旋钮，使数字显示仪显示数字为零。将仪器的上盒盖手动打开，把符合要求规格的试件装入下剪切盒，然后将上剪切盒套装在试样上，保证上下剪切盒剪切口距离d（0

（四）岩石拉伸剪切试验仪关键技术

SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪在设备加载原理、设备结构和测量方法上进行了创新，形成了完全自主知识产权的第二代岩石剪切力学试验设备。在设备加载原理方面，采取了线性作动增加加载油源原理，采用交流伺服电机直线作动增压加载；在设备加载结构方面，发明了盒式端面滚轴承机构实现轴线拉荷载与水平剪切荷载的复合加载；在测量方法上，采用了非接触的激光测量技术进行岩样变形的高精度测量。关键技术主要有：SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪电机加载测控技术，拉压剪切高刚度反力施加技术和非接触式线性CCD变形测量技术。

1.SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪电机加载测控技术

长期动态加载不仅要精确，而且要连续。常规的动力泵式电液伺服加载能够满足加载的高精度，但动力泵运行将产生大量热量，无法长期工作；机械式的祛码扩力加载系统能够长时间连续加载，却不能实现高压和拉压波动动态加载；气动保压加载系统能够长期连续加载，但无法满足精确性。因此，要保持长期连续精确的动态加载是需要解决的技术难题。

采用交流伺服电机驱动油源加载技术，解决长期加载的动力连续性。由于交流伺服电机动力加载不发热、低惯性、高转速、高响应，可以进行长期连续的动力加载，不会产生动力泵长期工作发热磨损技术问题。采用交流闭环伺服控制电机与全数字系统闭环伺服控制的双闭环伺服控制技术，解决长期波动加载的高精度伺服控制。由于采用2ms级电时间常数伺服电机和土100000通道分辨率全数字伺服控制器，控制的精度和响应得到了保证。采用高分辨率全数字闭环伺服控制器，由交流伺服电机驱动器来驱动液压试验机响应。法向和剪切应力需要提供足够的加载压力，法向和水平方向油源压力设计为60MPa，解决高压加载问题。由于波动控制需要数字信号更灵敏的识别，闭环伺服动态控制系统采用高频响高分辨率（100000级通道分辨率）的全数字伺服控制器，并加装4ETF放大器，解决数字信号的快速灵敏识别与响应。由于循环波动加载需要作动器快速响应，作动器采用低摩阻动态双向加载作动器。使用1000kN负荷传感器和光栅式位移传感器，提高动态控制和测量精度。

2.拉压剪切高刚度反力施加技术

采用高刚度双向作动器、盒式端面滚轴承机构和试件高强度勃结技术，实现试件法向拉压水平剪切的反力施加（图1）。高刚度双向作动器能够实现拉力和压力，同时满足岩石变形对主机高刚度的需求；盒式端面滚轴承机构能够承受双向作动器的拉压，同时可以水平向平动，实现拉压剪切；试件高强度豁结技术，能够避免传统的夹具端面约束效应，解决试件受拉力的问题。

3.非接触式线性CCD变形测量技术

以往的岩石力学试验中试样变形测量常采用应变片、引伸计或链式应变测量装置，这些变形测量的方法均为岩样点上或面上变形的平均，由于岩石发生剪切蠕变时剪切区变形非连续，测量结果与变形测量位置密切相关，依此计算出的应变也是片面和局部的，真正的剪切区变形测量是个技术难题。

采用非接触式线性CCD变形测量系统高强度LED发出的光变成一致平行光后，穿过特殊的漫射装置与准直镜头，然后射向岩样。通过远心光学系统，在高速线性CCD中准确形成目标的影子图。通过数字边缘检测处理器与CPU对CCD发送的信号计算得出的结果，CCD摄像元件的数字信号输出设置了一个阂值，来自CCD摄像元件的信号与阂值相交处称为“边缘”。检测这个“边缘”被用于进行各种测量和区分。高精度CCD法显示并输出目标尺寸。由于远心光学系统除去了不必要的光而只形成平行光图像，镜头倍率不会受位置变化的影响，从而能够实现高精度测量。LED-CCD感测头工作原理（图2）。在岩样径向不同角度设置这种高精度LED-CCD感测头，从而可以解决真正的剪切区非连续变形测量难题。

三、岩石拉伸剪切变形破裂特征

采用相对均质的花岗闪长岩制作岩石样品，样品为立方体，尺寸为100mm×100mm×100mm，试验过程中先施加拉力到一定值，然后保持拉力不变，开始施加剪力，直到试样发生破坏。试验共设计巧个拉力值，分别为：2kN，4kN，6kN，8kN，10kN，12kN，15kN、18kN、20kN、22kN、25kN、28kN、30kN、32kN、35kN。先以相同的加载速率施加拉力到预定值，然后再以相同的剪切速率施加剪力直至试样破坏。花岗闪长岩破坏面基本上都是沿着既定的剪切面发生破坏，破坏面的形态凹凸不平（图3）。

（一）岩石拉剪破裂面形貌特征与规律

采用三维激光表面扫描和扫描电镜（SEM）方法，分别对岩石拉剪破裂面宏观和微观形貌进行探测分析，研究岩石拉剪破裂面宏观粗糙度特征与规律。

将岩石拉剪断面的粗糙表面置于激光扫描台上进行测量，采用Surfer软件生成断裂表面形貌图，图4为轴向拉力为35kN（拉应力为3.5MPa）岩石拉剪破裂面形貌。将不同拉应力的岩石拉剪破裂面进行SEM图像扫描分析，图5为拉应力为3.5MPa岩石拉剪破裂面的SEM图像。

分形维数能定量刻画断裂表面的粗糙度，分形维数越大，岩石断裂表面越粗糙。对于岩石拉剪宏观破裂面，采用立方体覆盖法的分形维数定量刻画断口剖面的弯曲程度以及断裂表面的粗糙度。立方体覆盖法采用三维立方体网格直接覆盖粗糙表面，计算不同拉应力岩石拉剪破裂面的分形维数；对于破裂面BEM图像采用计盒维数法计算图像的分形维数。可以得出如下规律：岩石拉剪破裂面的分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大。这是由于拉力增大，在拉剪面形成过程的摩擦程度减小，从而导致断裂面凹凸程度增加，表现为分形维数增加，粗糙度增大。

（二）岩石拉剪破裂面微观断口模式

通过研究岩石断口可以追溯断裂的机理，发现岩石的微结构组成和缺陷。前人对岩石断口微观形貌进行了详细的研究，得到岩石的微观断裂方式，其断裂机理主要为两大类，即拉伸破坏和剪切破坏。

采用德国LE01450VP扫描电子显微镜（SEM），对岩石拉剪破裂面进行了图像分析，主要存在剪裂断口和拉断断口。剪裂断口主要有条纹花样（拉应力为1.OMPa的SEM图像）、线状排列小颗粒状花样（拉应力为1.OMPa和2.5MPa的SEM图像）；拉断断口主要有鱼骨状花样（拉应力为2.5MPa和3.5MPa的SEM图像）、台阶状花样（拉应力为3.OMPa和3.SMPa的SEM图像）。

通过SEM扫描图像对岩石断口的观察，岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时，岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏，并且随着拉应力的增加，岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显。

四、岩石破裂过程分析系统RFPA的应用

岩石破裂过程分析系统RFPA主要功能包括应力分析、破裂分析、热应力分析和流固耦合分析等。

（一）岩石中的应力分析

应力分析是工程设计中的基础，对于复杂的、大型的岩土工程尤其如此。一般来讲，解析理论只能得到几种简单围岩结构中应力场的理论解。即使是简单几何形状的巷道断面，如椭圆端面巷道，其应力分布的表达式也极其复杂。而许多岩体中的开挖工程，涉及到比椭圆断面更为复杂的断面结构。虽然通过特殊的简化方法我们也能得到一些复杂问题的近似解，但从工程应用来说，寻求一种比解析方法更方便得到的复杂结构中的应力场是十分必要的。这种必要性还表现在岩体介质往往是层状的，充满结构面，甚至是非均匀的。解析理论对这种具有复杂结构的介质将显得无能为力。

（二）岩石破裂过程分析

岩石破裂过程分析是RFPA系统的重要组成部分和主要特点。RFPA提供相变分析模型，适用于介质从加载初期损伤到后期宏观裂纹形成扩展的破裂全过程的分析。通过赋予介质不同构成部分相变前后的力学性质参数，可以完成岩石介质的破裂过程分析。

（三）岩石热应力与热开裂分析

当岩石经受高温作用时，将产生热膨胀。当这种膨胀遭到阻碍时，便在岩石中产生热应力。不仅如此，由于岩石是由各种矿物颗粒组成的非均匀介质，各种非均匀介质的热尾性质不一样，因此在岩石经受高温时，将因为组成岩石介质矿物颗粒的热膨胀差异而产生内应力。当内应力达到一定程度时，就会诱发岩石介质的破裂，即岩石的热开裂。

（四）岩石破裂过程中的流固耦合分析

通常岩石力学的流固耦合问题可分为三类：一是固体与流体耦合；二是固体与热耦合；三是热与流体耦合。目前，RFPA系统仅包括固体与流体耦合作用的模拟，可分析的问题包括：（1）岩石破裂过程中渗流性能的演化规律；（2）岩体破裂过程中水力梯度、流速的变化规律；（3）渗透作用力的分布及其对岩体变形、损伤的影响和相互作用。

五、结语

综上所述，岩石拉伸剪切破裂实验的研究过程是比较复杂的，同时，试验研究的每一个环节都应该积极掌握相关的技巧和质量把控方法，只有这样才能够提升岩石拉伸剪切破裂试验的准确性和有效性。

参考文献

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