李夕兵等：考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 ·1297· 1.2试验方法及设备 表1组合试样劈裂试验计算“抗拉”强度 采用中南大学力学测试中心的MTS Insight岩石 Table 1 Calculated"tensile strength"of composed specimen dise from 力学测试系统进行巴西劈裂试验.MTS Insight岩石力 Brazilian split tests 学测试系统采用全伺服控制，最大加载力可达30kN, 8 “强度”/MPa 平均值“强 变异系 标准差 试验采用位移控制，位移速度控制为0.5mm·min. (°) 试样1试样2试样3 度"/MPa 数/% 试验过程中通过改变岩石一水泥砂浆交界面与加载方 0 0.9480.6820.734 0.788±0.200.115 15 向的夹角日来研究不同交界面方向对破坏机制的影 0.9590.5720.5170.683±0.300.241 35 响，加载示意图如图3,0分别取0°，15°，30°，45°，60°， 300.5480.9700.776 0.765±0.400.211 28 75°和90°.根据加载变化，共设7组试验，每组测试3 45 0.6530.7340.797 0.728±0.100.072 10 个试样.圆盘试样在弧形加载机具下加载至发生 60 2.6892.6582.785 2.711±0.100.066 2 破坏. 75 2.0882.8252.933 2.615±0.500.46018 90 2.4172.5602.9172.631±0.300.258 10 3.3 3.0 。试样强度 2.7 。一平均值 2.4 2.1 1.5 图3不同交界面方向的圆盘加载示意图 0.9 Fig.3 Sketch of dise with different interface directions under load- 06 ings 0.3 0 15 3045607590 2试验结果 交界面加载角，(9 图4不同方向下的圆盘试件抗拉强度 2.1“抗拉”强度 Fig.4 Tensile strength of disc samples with different orientations 组合试样的“抗拉”强度采用Hondros[)建立的解 析方法进行计算，“抗拉”强度表示为： 试验“抗拉强度”具有显著地影响.也就是说，交界面 2P 的方向效应使得岩体整体的强度呈现一定的各向异 0,-Df (1) 性.0从0°增大到90°的过程中，当15°≤0≤45时“抗 式中：σ，为抗拉强度，1为试样长度（厚度），D为直径， 拉”强度较稳定，约为0.5~1.0MPa.“抗拉”强度在角 P为试样破坏载荷. 度0=60时发生突变，从0.728增加到2.711MPa.最 花岗岩的抗拉强度为7.78MPa,水泥砂浆的抗拉 大拉伸强度为2.8~2.9MPa,出现在交界面方向与加 强度为1.327MPa.不同交界面方向下的平均“拉伸强 载方向呈75°和90°的情况下.其原因是：如图5所示， 度”见表1.当0=0时，试样沿交界面发生拉伸破坏， 0从0°变化到90°过程中，圆盘的破坏由纯拉伸破坏逐 此时的强度可认为是交界面的抗拉强度，为0.788 渐变化为复杂的拉一剪复合破坏. MPa.“拉伸强度”随0的变化趋势见图4.这里的“拉 2.2破坏形式 伸强度”指的是试样失去承载能力时的圆盘试样中心 当交界面与加载方向夹角0=0°（图5(a))时，断 的最大拉伸力.图5显示了典型的破坏形式.从图5 裂形式和经典巴西试验的情况类似.竖向裂纹通过试 中破坏的试样可以看出，并不是所有的破坏都通过试 样中心沿加载方向发展，即沿交界面发生拉伸断裂. 样中心，这与基于平面应力的弹性解析解中所假定的 与经典试验的中心起裂不同，裂纹最初在上部加载端 圆盘中心起裂不符.也就是说，表1中所计算的“抗拉 附近（图5(a)中的点1）萌发，沿着图中箭头方向往另 强度”并不是真的抗拉强度.因此，此处拉伸强度加上 一加载端（图5(a)中的点2）发展，最终贯穿整个试 引号. 样.这可能是因为试样由岩石和水泥砂浆两部分制 从图4中可以看出，使用解析方法计算的不同方 成，不是经典试验中假设的均质的试样.峰值应力大 向下的交界面的巴西劈裂试验“抗拉强度”具有一定 约为0.788MPa,拉伸裂纹沿着交界面发展（拉伸应力 的离散性，并且也可以看出，夹角0的变化对巴西劈裂 达到交界面的拉伸强度).因此，此组加载情况下计算李夕兵等: 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 1郾 2 试验方法及设备 采用中南大学力学测试中心的 MTS Insight 岩石 力学测试系统进行巴西劈裂试验. MTS Insight 岩石力 学测试系统采用全伺服控制,最大加载力可达 30 kN, 试验采用位移控制,位移速度控制为 0郾 5 mm·min - 1 . 试验过程中通过改变岩石―水泥砂浆交界面与加载方 向的夹角 兹 来研究不同交界面方向对破坏机制的影 响,加载示意图如图 3,兹 分别取 0毅,15毅,30毅,45毅,60毅, 75毅和 90毅. 根据加载变化,共设 7 组试验,每组测试 3 个试样. 圆盘试样在弧形加载机具下加载至发生 破坏. 图 3 不同交界面方向的圆盘加载示意图 Fig. 3 Sketch of disc with different interface directions under load鄄 ings 2 试验结果 2郾 1 “抗拉冶强度 组合试样的“抗拉冶强度采用 Hondros [4] 建立的解 析方法进行计算,“抗拉冶强度表示为: 滓t = 2P 仔Dt . (1) 式中:滓t 为抗拉强度,t 为试样长度(厚度),D 为直径, P 为试样破坏载荷. 花岗岩的抗拉强度为 7郾 78 MPa,水泥砂浆的抗拉 强度为 1郾 327 MPa. 不同交界面方向下的平均“拉伸强 度冶见表 1. 当 兹 = 0毅时,试样沿交界面发生拉伸破坏, 此时的强度可认为是交界面的抗拉强度,为 0郾 788 MPa. “拉伸强度冶随 兹 的变化趋势见图 4. 这里的“拉 伸强度冶指的是试样失去承载能力时的圆盘试样中心 的最大拉伸力. 图 5 显示了典型的破坏形式. 从图 5 中破坏的试样可以看出,并不是所有的破坏都通过试 样中心,这与基于平面应力的弹性解析解中所假定的 圆盘中心起裂不符. 也就是说,表 1 中所计算的“抗拉 强度冶并不是真的抗拉强度. 因此,此处拉伸强度加上 引号. 从图 4 中可以看出,使用解析方法计算的不同方 向下的交界面的巴西劈裂试验“抗拉强度冶 具有一定 的离散性,并且也可以看出,夹角 兹 的变化对巴西劈裂 表 1 组合试样劈裂试验计算“抗拉冶强度 Table 1 Calculated “tensile strength冶 of composed specimen disc from Brazilian split tests 兹 / (毅) “强度冶 / MPa 试样 1 试样 2 试样 3 平均值“强 度冶 / MPa 标准差 变异系 数/ % 0 0郾 948 0郾 682 0郾 734 0郾 788 依 0郾 20 0郾 115 15 15 0郾 959 0郾 572 0郾 517 0郾 683 依 0郾 30 0郾 241 35 30 0郾 548 0郾 970 0郾 776 0郾 765 依 0郾 40 0郾 211 28 45 0郾 653 0郾 734 0郾 797 0郾 728 依 0郾 10 0郾 072 10 60 2郾 689 2郾 658 2郾 785 2郾 711 依 0郾 10 0郾 066 2 75 2郾 088 2郾 825 2郾 933 2郾 615 依 0郾 50 0郾 460 18 90 2郾 417 2郾 560 2郾 917 2郾 631 依 0郾 30 0郾 258 10 图 4 不同方向下的圆盘试件抗拉强度 Fig. 4 Tensile strength of disc samples with different orientations 试验“抗拉强度冶具有显著地影响. 也就是说,交界面 的方向效应使得岩体整体的强度呈现一定的各向异 性. 兹 从 0毅增大到 90毅的过程中,当 15毅臆兹臆45毅时“抗 拉冶强度较稳定,约为0郾 5 ~ 1郾 0 MPa. “抗拉冶强度在角 度 兹 = 60毅时发生突变,从 0郾 728 增加到 2郾 711 MPa. 最 大拉伸强度为 2郾 8 ~ 2郾 9 MPa,出现在交界面方向与加 载方向呈 75毅和 90毅的情况下. 其原因是:如图 5 所示, 兹 从 0毅变化到 90毅过程中,圆盘的破坏由纯拉伸破坏逐 渐变化为复杂的拉―剪复合破坏. 2郾 2 破坏形式 当交界面与加载方向夹角 兹 = 0毅(图 5( a))时,断 裂形式和经典巴西试验的情况类似. 竖向裂纹通过试 样中心沿加载方向发展,即沿交界面发生拉伸断裂. 与经典试验的中心起裂不同,裂纹最初在上部加载端 附近(图 5(a)中的点 1)萌发,沿着图中箭头方向往另 一加载端(图 5 ( a) 中的点 2) 发展,最终贯穿整个试 样. 这可能是因为试样由岩石和水泥砂浆两部分制 成,不是经典试验中假设的均质的试样. 峰值应力大 约为 0郾 788 MPa,拉伸裂纹沿着交界面发展(拉伸应力 达到交界面的拉伸强度). 因此,此组加载情况下计算 ·1297·