熊志亮

摘 要：文章主要集中圍繞著巖石拉伸剪切破裂展開分析，論述了巖石拉伸剪切破裂的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)的具體方法，希望可以為今后的巖石拉伸剪切破裂試驗(yàn)工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：巖石；拉伸剪切破裂；試驗(yàn)

巖石拉伸剪切破裂是一種復(fù)合破裂模式，針對(duì)巖石拉伸剪切破裂進(jìn)行試驗(yàn)，分析試驗(yàn)的結(jié)果，可以為今后巖石的研究和應(yīng)用提供更多的數(shù)據(jù)參考，提升巖石研究的水平。

一、巖石破裂的原因

首先，正因?yàn)樗莿傆驳?，所以才?huì)破裂。如果它像生面團(tuán)那樣有很好的塑性。就不容易破裂了。如果是液體，更無(wú)所謂破裂。絕大多數(shù)地震都發(fā)生在地下70千米以內(nèi)，特別集中在地下5-20千米上下。這不是偶然的。因?yàn)樵诘叵螺^深的地方。溫度高，壓力大。堅(jiān)硬的巖石也具有一定的塑性。就不么容易破裂了；即使破裂，因它積累的能量不是很大，震級(jí)不會(huì)太高。

在地下，存在著各種形式的力的作用。而且這些力會(huì)在地下某些處所積累加強(qiáng)。當(dāng)增大到使那里的巖石承受不了時(shí)，巖石破裂就發(fā)生了。在這個(gè)變動(dòng)中起主要作用的是地殼運(yùn)動(dòng)。

在地殼運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中。地殼的不同部位受到了擠壓、拉伸、旋扭等力的作用。那些構(gòu)造比較脆弱的地方就容易破裂，引起斷裂變動(dòng)。這種變動(dòng)成為地震的主要原因。全世界90%以上的地震。都是由于地殼的斷裂變動(dòng)造成的，這類地震稱為構(gòu)造地震?，F(xiàn)在我們要預(yù)報(bào)、預(yù)防的。主要就是這種構(gòu)造地震。此外，火山爆發(fā)、洞穴坍塌等也可造成地震。但數(shù)量都很少，規(guī)模也很小。因此地震也可以說(shuō)是現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)。

二、巖石拉伸剪切試驗(yàn)儀器與設(shè)備研發(fā)

目前進(jìn)行巖石拉伸剪切的試驗(yàn)儀器，主要是以材料試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)的第一代巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備，試驗(yàn)測(cè)量和控制技術(shù)相對(duì)落后。為了更好地刻畫和表征巖石拉伸剪切力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程，減小試驗(yàn)測(cè)量誤差和系統(tǒng)剛度影響，采用了SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)巖石拉伸剪切應(yīng)力條件伺服控制加載功能，可以實(shí)時(shí)獲得試驗(yàn)全過(guò)程巖樣的法向變形、水平變形、法向荷載、水平荷載、法向位移和水平位移。

（一）儀器特點(diǎn)

SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了巖樣的制作過(guò)程，它采用從鉆孔中取出的巖心，切取徑高比1∶1巖石試件5-8塊，即可做抗剪試驗(yàn)。該儀器用于測(cè)定巖石的抗剪強(qiáng)度，通過(guò)剪切試驗(yàn)?zāi)苎杆伲瑴?zhǔn)確地獲取巖石的抗剪參數(shù)：內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦角（Φ），為巖石地基和邊坡工程等提供可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。具有外觀精致，結(jié)構(gòu)合理，測(cè)讀準(zhǔn)確，體積小，重量輕，省電，適用等特點(diǎn)。

（二）主要參數(shù)

其最大荷載范圍垂直0-30kN，水平0-70kN。測(cè)量精度0.5%（示值）。所測(cè)試試樣規(guī)格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50 等?？稍诃h(huán)境溫度-10-40℃、相對(duì)濕度85%的條件下長(zhǎng)期連續(xù)使用。具有在短期超載20%的超載特性，但不允許長(zhǎng)時(shí)間超載，以免損壞傳感器。讀數(shù)鎖存水平為2-70kN。手動(dòng)油泵的最大工作壓力70MPa，外觀尺寸580×115×115mm，使用46號(hào)液壓機(jī)油。儀器整體重量不超過(guò)25kg。

（三）調(diào)試與使用方法

連接好電源和傳感器等后，調(diào)整數(shù)字顯示儀的X通道和Y通道的增益和調(diào)零旋鈕，使數(shù)字顯示儀顯示數(shù)字為零。將儀器的上盒蓋手動(dòng)打開，把符合要求規(guī)格的試件裝入下剪切盒，然后將上剪切盒套裝在試樣上，保證上下剪切盒剪切口距離d（0（四）巖石拉伸剪切試驗(yàn)儀關(guān)鍵技術(shù)

SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀在設(shè)備加載原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，形成了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代巖石剪切力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。在設(shè)備加載原理方面，采取了線性作動(dòng)增加加載油源原理，采用交流伺服電機(jī)直線作動(dòng)增壓加載；在設(shè)備加載結(jié)構(gòu)方面，發(fā)明了盒式端面滾軸承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軸線拉荷載與水平剪切荷載的復(fù)合加載；在測(cè)量方法上，采用了非接觸的激光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行巖樣變形的高精度測(cè)量。關(guān)鍵技術(shù)主要有：SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀電機(jī)加載測(cè)控技術(shù)，拉壓剪切高剛度反力施加技術(shù)和非接觸式線性CCD變形測(cè)量技術(shù)。

1.SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀電機(jī)加載測(cè)控技術(shù)

長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)加載不僅要精確，而且要連續(xù)。常規(guī)的動(dòng)力泵式電液伺服加載能夠滿足加載的高精度，但動(dòng)力泵運(yùn)行將產(chǎn)生大量熱量，無(wú)法長(zhǎng)期工作；機(jī)械式的祛碼擴(kuò)力加載系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加載，卻不能實(shí)現(xiàn)高壓和拉壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)加載；氣動(dòng)保壓加載系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期連續(xù)加載，但無(wú)法滿足精確性。因此，要保持長(zhǎng)期連續(xù)精確的動(dòng)態(tài)加載是需要解決的技術(shù)難題。

采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油源加載技術(shù)，解決長(zhǎng)期加載的動(dòng)力連續(xù)性。由于交流伺服電機(jī)動(dòng)力加載不發(fā)熱、低慣性、高轉(zhuǎn)速、高響應(yīng)，可以進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的動(dòng)力加載，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力泵長(zhǎng)期工作發(fā)熱磨損技術(shù)問(wèn)題。采用交流閉環(huán)伺服控制電機(jī)與全數(shù)字系統(tǒng)閉環(huán)伺服控制的雙閉環(huán)伺服控制技術(shù)，解決長(zhǎng)期波動(dòng)加載的高精度伺服控制。由于采用2ms級(jí)電時(shí)間常數(shù)伺服電機(jī)和土100000通道分辨率全數(shù)字伺服控制器，控制的精度和響應(yīng)得到了保證。采用高分辨率全數(shù)字閉環(huán)伺服控制器，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓試驗(yàn)機(jī)響應(yīng)。法向和剪切應(yīng)力需要提供足夠的加載壓力，法向和水平方向油源壓力設(shè)計(jì)為60MPa，解決高壓加載問(wèn)題。由于波動(dòng)控制需要數(shù)字信號(hào)更靈敏的識(shí)別，閉環(huán)伺服動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)采用高頻響高分辨率（100000級(jí)通道分辨率）的全數(shù)字伺服控制器，并加裝4ETF放大器，解決數(shù)字信號(hào)的快速靈敏識(shí)別與響應(yīng)。由于循環(huán)波動(dòng)加載需要作動(dòng)器快速響應(yīng)，作動(dòng)器采用低摩阻動(dòng)態(tài)雙向加載作動(dòng)器。使用1000kN負(fù)荷傳感器和光柵式位移傳感器，提高動(dòng)態(tài)控制和測(cè)量精度。

2.拉壓剪切高剛度反力施加技術(shù)

采用高剛度雙向作動(dòng)器、盒式端面滾軸承機(jī)構(gòu)和試件高強(qiáng)度勃結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)試件法向拉壓水平剪切的反力施加（圖1）。高剛度雙向作動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)拉力和壓力，同時(shí)滿足巖石變形對(duì)主機(jī)高剛度的需求；盒式端面滾軸承機(jī)構(gòu)能夠承受雙向作動(dòng)器的拉壓，同時(shí)可以水平向平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉壓剪切；試件高強(qiáng)度豁結(jié)技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)的夾具端面約束效應(yīng)，解決試件受拉力的問(wèn)題。

3.非接觸式線性CCD變形測(cè)量技術(shù)

以往的巖石力學(xué)試驗(yàn)中試樣變形測(cè)量常采用應(yīng)變片、引伸計(jì)或鏈?zhǔn)綉?yīng)變測(cè)量裝置，這些變形測(cè)量的方法均為巖樣點(diǎn)上或面上變形的平均，由于巖石發(fā)生剪切蠕變時(shí)剪切區(qū)變形非連續(xù)，測(cè)量結(jié)果與變形測(cè)量位置密切相關(guān)，依此計(jì)算出的應(yīng)變也是片面和局部的，真正的剪切區(qū)變形測(cè)量是個(gè)技術(shù)難題。

采用非接觸式線性CCD變形測(cè)量系統(tǒng)高強(qiáng)度LED發(fā)出的光變成一致平行光后，穿過(guò)特殊的漫射裝置與準(zhǔn)直鏡頭，然后射向巖樣。通過(guò)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，在高速線性CCD中準(zhǔn)確形成目標(biāo)的影子圖。通過(guò)數(shù)字邊緣檢測(cè)處理器與CPU對(duì)CCD發(fā)送的信號(hào)計(jì)算得出的結(jié)果，CCD攝像元件的數(shù)字信號(hào)輸出設(shè)置了一個(gè)閡值，來(lái)自CCD攝像元件的信號(hào)與閡值相交處稱為“邊緣”。檢測(cè)這個(gè)“邊緣”被用于進(jìn)行各種測(cè)量和區(qū)分。高精度CCD法顯示并輸出目標(biāo)尺寸。由于遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)除去了不必要的光而只形成平行光圖像，鏡頭倍率不會(huì)受位置變化的影響，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)量。LED-CCD感測(cè)頭工作原理（圖2）。在巖樣徑向不同角度設(shè)置這種高精度LED-CCD感測(cè)頭，從而可以解決真正的剪切區(qū)非連續(xù)變形測(cè)量難題。

三、巖石拉伸剪切變形破裂特征

采用相對(duì)均質(zhì)的花崗閃長(zhǎng)巖制作巖石樣品，樣品為立方體，尺寸為100mm×100mm×100mm，試驗(yàn)過(guò)程中先施加拉力到一定值，然后保持拉力不變，開始施加剪力，直到試樣發(fā)生破壞。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)巧個(gè)拉力值，分別為：2kN，4kN，6kN，8kN，10kN，12kN，15kN、18kN、20kN、22kN、25kN、28kN、30kN、32kN、35kN。先以相同的加載速率施加拉力到預(yù)定值，然后再以相同的剪切速率施加剪力直至試樣破壞?；◢忛W長(zhǎng)巖破壞面基本上都是沿著既定的剪切面發(fā)生破壞，破壞面的形態(tài)凹凸不平（圖3）。

（一）巖石拉剪破裂面形貌特征與規(guī)律

采用三維激光表面掃描和掃描電鏡（SEM）方法，分別對(duì)巖石拉剪破裂面宏觀和微觀形貌進(jìn)行探測(cè)分析，研究巖石拉剪破裂面宏觀粗糙度特征與規(guī)律。

將巖石拉剪斷面的粗糙表面置于激光掃描臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量，采用Surfer軟件生成斷裂表面形貌圖，圖4為軸向拉力為35kN（拉應(yīng)力為3.5MPa）巖石拉剪破裂面形貌。將不同拉應(yīng)力的巖石拉剪破裂面進(jìn)行SEM圖像掃描分析，圖5為拉應(yīng)力為3.5MPa巖石拉剪破裂面的SEM圖像。

分形維數(shù)能定量刻畫斷裂表面的粗糙度，分形維數(shù)越大，巖石斷裂表面越粗糙。對(duì)于巖石拉剪宏觀破裂面，采用立方體覆蓋法的分形維數(shù)定量刻畫斷口剖面的彎曲程度以及斷裂表面的粗糙度。立方體覆蓋法采用三維立方體網(wǎng)格直接覆蓋粗糙表面，計(jì)算不同拉應(yīng)力巖石拉剪破裂面的分形維數(shù)；對(duì)于破裂面BEM圖像采用計(jì)盒維數(shù)法計(jì)算圖像的分形維數(shù)?？梢缘贸鋈缦乱?guī)律：巖石拉剪破裂面的分形維數(shù)即粗糙度隨著拉應(yīng)力的增加而增大。這是由于拉力增大，在拉剪面形成過(guò)程的摩擦程度減小，從而導(dǎo)致斷裂面凹凸程度增加，表現(xiàn)為分形維數(shù)增加，粗糙度增大。

（二）巖石拉剪破裂面微觀斷口模式

通過(guò)研究巖石斷口可以追溯斷裂的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)巖石的微結(jié)構(gòu)組成和缺陷。前人對(duì)巖石斷口微觀形貌進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得到巖石的微觀斷裂方式，其斷裂機(jī)理主要為兩大類，即拉伸破壞和剪切破壞。

采用德國(guó)LE01450VP掃描電子顯微鏡（SEM），對(duì)巖石拉剪破裂面進(jìn)行了圖像分析，主要存在剪裂斷口和拉斷斷口。剪裂斷口主要有條紋花樣（拉應(yīng)力為1.OMPa的SEM圖像）、線狀排列小顆粒狀花樣（拉應(yīng)力為1.OMPa和2.5MPa的SEM圖像）；拉斷斷口主要有魚骨狀花樣（拉應(yīng)力為2.5MPa和3.5MPa的SEM圖像）、臺(tái)階狀花樣（拉應(yīng)力為3.OMPa和3.SMPa的SEM圖像）。

通過(guò)SEM掃描圖像對(duì)巖石斷口的觀察，巖石的微觀斷裂形式是拉伸破壞和剪切破壞的結(jié)合。當(dāng)拉應(yīng)力較小時(shí)，巖石的微觀斷裂形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，并且隨著拉應(yīng)力的增加，巖石的拉伸破壞形式表現(xiàn)得更加明顯。

四、巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA的應(yīng)用

巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA主要功能包括應(yīng)力分析、破裂分析、熱應(yīng)力分析和流固耦合分析等。

（一）巖石中的應(yīng)力分析

應(yīng)力分析是工程設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)，對(duì)于復(fù)雜的、大型的巖土工程尤其如此。一般來(lái)講，解析理論只能得到幾種簡(jiǎn)單圍巖結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場(chǎng)的理論解。即使是簡(jiǎn)單幾何形狀的巷道斷面，如橢圓端面巷道，其應(yīng)力分布的表達(dá)式也極其復(fù)雜。而許多巖體中的開挖工程，涉及到比橢圓斷面更為復(fù)雜的斷面結(jié)構(gòu)。雖然通過(guò)特殊的簡(jiǎn)化方法我們也能得到一些復(fù)雜問(wèn)題的近似解，但從工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，尋求一種比解析方法更方便得到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力場(chǎng)是十分必要的。這種必要性還表現(xiàn)在巖體介質(zhì)往往是層狀的，充滿結(jié)構(gòu)面，甚至是非均勻的。解析理論對(duì)這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的介質(zhì)將顯得無(wú)能為力。

（二）巖石破裂過(guò)程分析

巖石破裂過(guò)程分析是RFPA系統(tǒng)的重要組成部分和主要特點(diǎn)。RFPA提供相變分析模型，適用于介質(zhì)從加載初期損傷到后期宏觀裂紋形成擴(kuò)展的破裂全過(guò)程的分析。通過(guò)賦予介質(zhì)不同構(gòu)成部分相變前后的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，可以完成巖石介質(zhì)的破裂過(guò)程分析。

（三）巖石熱應(yīng)力與熱開裂分析

當(dāng)巖石經(jīng)受高溫作用時(shí)，將產(chǎn)生熱膨脹。當(dāng)這種膨脹遭到阻礙時(shí)，便在巖石中產(chǎn)生熱應(yīng)力。不僅如此，由于巖石是由各種礦物顆粒組成的非均勻介質(zhì)，各種非均勻介質(zhì)的熱尾性質(zhì)不一樣，因此在巖石經(jīng)受高溫時(shí)，將因?yàn)榻M成巖石介質(zhì)礦物顆粒的熱膨脹差異而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)誘發(fā)巖石介質(zhì)的破裂，即巖石的熱開裂。

（四）巖石破裂過(guò)程中的流固耦合分析

通常巖石力學(xué)的流固耦合問(wèn)題可分為三類：一是固體與流體耦合；二是固體與熱耦合；三是熱與流體耦合。目前，RFPA系統(tǒng)僅包括固體與流體耦合作用的模擬，可分析的問(wèn)題包括：（1）巖石破裂過(guò)程中滲流性能的演化規(guī)律；（2）巖體破裂過(guò)程中水力梯度、流速的變化規(guī)律；（3）滲透作用力的分布及其對(duì)巖體變形、損傷的影響和相互作用。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖石拉伸剪切破裂實(shí)驗(yàn)的研究過(guò)程是比較復(fù)雜的，同時(shí)，試驗(yàn)研究的每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該積極掌握相關(guān)的技巧和質(zhì)量把控方法，只有這樣才能夠提升巖石拉伸剪切破裂試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱萬(wàn)成，唐春安，楊天鴻，梁正召.巖石破裂過(guò)程分析用（RFPA-（2D））系統(tǒng)的細(xì)觀單元本構(gòu)關(guān)系及驗(yàn)證[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（01）：24-29.

[2] 梁正召，唐春安，張永彬，馬天輝，張亞芳.巖石三維破裂過(guò)程的數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（05）：931-936.

[3] 魏榮強(qiáng)，臧紹先.巖石破裂強(qiáng)度的溫度和應(yīng)變率效應(yīng)及其對(duì)巖石圈流變結(jié)構(gòu)的影響[J].地球物理學(xué)報(bào)，2015（06）：1730-1737.

[4] 楊天鴻，唐春安，李連崇，朱萬(wàn)成.非均勻巖石破裂過(guò)程滲透率演化規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（05）：758-762.

[5] 耿乃光，崔承禹，鄧明德.巖石破裂實(shí)驗(yàn)中的遙感觀測(cè)與遙感巖石力學(xué)的開端[J].地震學(xué)報(bào)，2015（S1）：645-652.