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祁生文等-RMRE:从矿物边界的接触刚度特性揭示引起结晶岩直接拉伸强度和间接拉伸强度差异的原因
2019-10-25 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  岩石的抗拉强度(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强度(DTSDirect Tensile Strength),为获得可靠结果,采用的样品通常需具有狗骨头形状,然而由于狗骨头形状的样品加工和试验测试十分复杂,20世纪六七十年代后转而广泛采用圆盘形状的样品开展巴西劈裂试验从而间接获取岩石的抗拉强度(BTSBrazilian Tensile Strength)。前人大量的试验测试结果统计分析发现,岩石的直接拉伸强度与其间接拉伸强度并不相等,如加拿大Lac du Bonnet花岗岩的DTS/BTS≈0.8。当前,学术界主要有以下两种观点解释引起DTSBTS显著差异的原因:(1)巴西劈裂试验是压致拉裂过程,样品的上下端部附近处于双轴应力状态,从而提升了岩石的抗拉强度;(2)岩石样品中存在大量不同尺度的裂纹,直接拉伸加载比压制拉伸加载更容易引起裂纹的扩展,因此DTS小于BTS。然而,当前对以上两种定性解释对于认识岩石的BTSDTS差异特性仍存在较大争议,究其原因是未能从微观-宏观尺度揭示岩石在直接拉伸和压致拉伸作用下的变形破坏过程。 

  针对以上问题,中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室祁生文研究员等,通过矿物颗粒模型 (GBM)结合离散元方法对加拿大Lac du Bonnet花岗岩的直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩试验进行精细正演模拟(如图1),研究了岩石中矿物接触边界的抗拉强度(T)、粘聚力(c)、摩擦角(φ)以及剪切刚度和法向刚度比(λ)等微观参数对岩石宏观力学特性的影响。结果表明Lac du Bonnet花岗岩中矿物边界剪切刚度ks和法向刚度kn以及二者之比(λ=ks/kn)对岩石的DTSBTS均有重要的影响。随着log(λ)增加,BTS先非线性增加,当达到一个峰值后呈下降趋势,而DTS一直非线性增加;BTS主要依赖于矿物边界的抗拉强度(T)和粘聚力(c),而DTS仅依赖于矿物边界的抗拉强度(T);同时,随着log(λ)增加,DTS/BTS先非线性减小,当达到一个最小值后呈增大的趋势。特别的是,只有当λ=2.51时,GBM模型才能同时准确正演出Lac du Bonnet花岗岩的直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩试验(如图2)。 

1 a)巴西劈裂(圆盘形样品);(b)直接拉伸(狗骨头样品);(c)单轴压缩(圆柱形样品)。图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(圆盘形样品);(b)直接拉伸模拟结果(狗骨头样品);(c)单轴压缩模拟结果(圆柱形样品) 

  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。如图3所示,结晶岩中不同类型矿物颗粒边界是胶结接触,边界上的凹凸体通常具有很好的吻合度,未发生过明显的错动和张开变形。按照岩石力学中的定义,结构面的刚度为结构面的受力与其变形的比值。前人大量的研究发现,在外力作用下结晶岩中矿物边界首先产生微观拉裂纹,此过程产生法向变形但剪切变形趋近于0,因此此时矿物边界的剪切刚度显著大于其法向刚度;当微观拉裂纹数量超过临界值后,矿物边界的粘聚力逐渐降低从而产生剪切滑动,激发摩擦强度起作用,此时矿物边界的剪切刚度可能大于、等于或小于其法向刚度。因此,本研究中只有当矿物边界的切向刚度大于法向刚度时(λ=2.51)才能同时准确正演模拟出Lac du Bonnet花岗岩的直接拉伸、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和间接拉伸强度差异的原因,可为结晶岩的微观-宏观渐进破坏数值模拟刚度取值提供理论依据。 

3  偏光显微镜下的花岗岩矿物及接触情况

  研究成果发表于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)原文链接 

 
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