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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岩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

  岩石的抗拉強度(tensile strength)是指岩石在拉伸条件下所能承受的最大应力,是进行岩体工程稳定性评价和设计的关键参数。为了获取岩石的抗拉强度,岩石力学和岩石工程早期发展中主要开展直接拉伸试验测定岩石的抗拉強度(DTSDirect Tensile Strength),爲獲得可靠結果,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複雜,20世紀六七十年代後轉而廣泛采用圓盤形状的样品开展巴西劈裂试验从而间接获取岩石的抗拉強度(BTSBrazilian Tensile Strength)。前人大量的試驗測試結果統計分析發現,岩石的直接拉伸強度與其間接拉伸強度並不相等,如加拿大Lac du Bonnet花崗岩的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,從而提升了岩石的抗拉強度;(2)岩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岩石的BTSDTS差異特性仍存在較大爭議,究其原因是未能從微觀-宏觀尺度揭示岩石在直接拉伸和壓致拉伸作用下的變形破壞過程。 

  针对以上问题,中國科學院地质与地球物理研究所頁岩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花崗岩的直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩试验进行精细正演模拟(如圖1),研究了岩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)等微觀參數對岩石宏觀力學特性的影響。結果表明Lac du Bonnet花崗岩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)對岩石的DTSBTS均有重要的影響。隨著log(λ)增加,BTS先非線性增加,當達到一個峰值後呈下降趨勢,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,當達到一個最小值後呈增大的趨勢。特別的是,只有當λ=2.51時,GBM模型才能同時准確正演出Lac du Bonnet花崗岩的直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩试验(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)单轴压缩(圆柱形样品)。圖中浅粉色多边形颗粒代表钾长石,粉色多边形颗粒代表石英,深红色多边形颗粒代表斜长石,棕色多边形颗粒代表云母

2 a)巴西劈裂模拟结果(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) 

  以上结果表明,结晶岩中矿物边界处微观结构面的剪切刚度大于其法向刚度,这与前人关于岩体结构面,如断层、节理的法向刚度远大于剪切刚度的认识完全相反。如圖3所示,結晶岩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。按照岩石力學中的定義,結構面的剛度爲結構面的受力與其變形的比值。前人大量的研究發現,在外力作用下結晶岩中礦物邊界首先産生微觀拉裂紋,此過程産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後,礦物邊界的粘聚力逐漸降低從而産生剪切滑動,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)才能同時准確正演模擬出Lac du Bonnet花崗岩的直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩试验结果。该研究从矿物边界的接触刚度特性揭示了引起结晶岩直接拉伸强度簣D浣永伸强度差异的原因,可为结晶岩的微观-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岩礦物及接觸情況

  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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