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祁生文等-RMRE:從礦物邊界的接觸剛度特性揭示引起結晶巖直接拉伸強度和間接拉伸強度差異的原因
2019-10-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  巖石的抗拉強度(tensile strength)是指巖石在拉伸條件下所能承受的最大應力,是進行巖體工程穩定性評價和設計的關鍵參數。為了獲取巖石的抗拉強度,巖石力學和巖石工程早期發展中主要開展直接拉伸試驗測定巖石的抗拉強度(DTSDirect Tensile Strength),為獲得可靠結果,采用的樣品通常需具有狗骨頭形狀,然而由于狗骨頭形狀的樣品加工和試驗測試十分復雜,20世紀六七十年代后轉而廣泛采用圓盤形狀的樣品開展巴西劈裂試驗從而間接獲取巖石的抗拉強度(BTSBrazilian Tensile Strength)。前人大量的試驗測試結果統計分析發現,巖石的直接拉伸強度與其間接拉伸強度并不相等,如加拿大Lac du Bonnet花崗巖的DTS/BTS≈0.8。當前,學術界主要有以下兩種觀點解釋引起DTSBTS顯著差異的原因:(1)巴西劈裂試驗是壓致拉裂過程,樣品的上下端部附近處于雙軸應力狀態,從而提升了巖石的抗拉強度;(2)巖石樣品中存在大量不同尺度的裂紋,直接拉伸加載比壓制拉伸加載更容易引起裂紋的擴展,因此DTS小于BTS。然而,當前對以上兩種定性解釋對于認識巖石的BTSDTS差異特性仍存在較大爭議,究其原因是未能從微觀-宏觀尺度揭示巖石在直接拉伸和壓致拉伸作用下的變形破壞過程。 

  針對以上問題,中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程院重點實驗室祁生文研究員等,通過礦物顆粒模型 (GBM)結合離散元方法對加拿大Lac du Bonnet花崗巖的直接拉伸、巴西劈裂、單軸壓縮試驗進行精細正演模擬(如圖1),研究了巖石中礦物接觸邊界的抗拉強度(T)、粘聚力(c)、摩擦角(φ)以及剪切剛度和法向剛度比(λ)等微觀參數對巖石宏觀力學特性的影響。結果表明Lac du Bonnet花崗巖中礦物邊界剪切剛度ks和法向剛度kn以及二者之比(λ=ks/kn)對巖石的DTSBTS均有重要的影響。隨著log(λ)增加,BTS先非線性增加,當達到一個峰值后呈下降趨勢,而DTS一直非線性增加;BTS主要依賴于礦物邊界的抗拉強度(T)和粘聚力(c),而DTS僅依賴于礦物邊界的抗拉強度(T);同時,隨著log(λ)增加,DTS/BTS先非線性減小,當達到一個最小值后呈增大的趨勢。特別的是,只有當λ=2.51時,GBM模型才能同時準確正演出Lac du Bonnet花崗巖的直接拉伸、巴西劈裂、單軸壓縮試驗(如圖2)。 

1 a)巴西劈裂(圓盤形樣品);(b)直接拉伸(狗骨頭樣品);(c)單軸壓縮(圓柱形樣品)。圖中淺粉色多邊形顆粒代表鉀長石,粉色多邊形顆粒代表石英,深紅色多邊形顆粒代表斜長石,棕色多邊形顆粒代表云母

2 a)巴西劈裂模擬結果(圓盤形樣品);(b)直接拉伸模擬結果(狗骨頭樣品);(c)單軸壓縮模擬結果(圓柱形樣品) 

  以上結果表明,結晶巖中礦物邊界處微觀結構面的剪切剛度大于其法向剛度,這與前人關于巖體結構面,如斷層、節理的法向剛度遠大于剪切剛度的認識完全相反。如圖3所示,結晶巖中不同類型礦物顆粒邊界是膠結接觸,邊界上的凹凸體通常具有很好的吻合度,未發生過明顯的錯動和張開變形。按照巖石力學中的定義,結構面的剛度為結構面的受力與其變形的比值。前人大量的研究發現,在外力作用下結晶巖中礦物邊界首先產生微觀拉裂紋,此過程產生法向變形但剪切變形趨近于0,因此此時礦物邊界的剪切剛度顯著大于其法向剛度;當微觀拉裂紋數量超過臨界值后,礦物邊界的粘聚力逐漸降低從而產生剪切滑動,激發摩擦強度起作用,此時礦物邊界的剪切剛度可能大于、等于或小于其法向剛度。因此,本研究中只有當礦物邊界的切向剛度大于法向剛度時(λ=2.51)才能同時準確正演模擬出Lac du Bonnet花崗巖的直接拉伸、巴西劈裂、單軸壓縮試驗結果。該研究從礦物邊界的接觸剛度特性揭示了引起結晶巖直接拉伸強度和間接拉伸強度差異的原因,可為結晶巖的微觀-宏觀漸進破壞數值模擬剛度取值提供理論依據。 

3  偏光顯微鏡下的花崗巖礦物及接觸情況

  研究成果發表于Rock Mechanics and Rock Engineering. (Qi S W*, Lan H X, Martin D, Huang X L. Factors Controlling the Difference in Brazilian and Direct Tensile Strengths of the Lac du Bonnet Granite[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019: 1-15.DOI: 10.1007/s00603-019-01946-x)原文鏈接 

 
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