黄砂岩巴西劈裂试验抗拉强度的尺寸效应及破裂特征研究.pdf

第42 卷第2 期Vol.42,No.2Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology2023年6 月June,2023内蒙古科技大学学报黄砂岩巴西劈裂试验抗拉强度的尺寸效应及破裂特征研究伊继海，王创业，隋青瑞（内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头014010)摘要：通过对直径相同,厚度分别为2 5,5 0 和6 0 mm的圆盘试件进行巴西劈裂试验,发现随着试件厚度的增加,抗拉强度逐渐减小,并可以用一个三次函数较好地拟合。此外,由声发射信号中RA与AF值的分布变化可知，临近破坏时,剪切破裂有明显的增长趋势。故可将 RA与AF 值的变化趋势应用于矿山工程等行业中岩体的稳定性分析，关键词：巴西劈裂；抗拉强度；尺寸效应；声发射中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-2 2 9 5(2 0 2 3)0 2-0 1 6 0-0 5D0I:10.16559/ki.2095-2295.2023.02.012Study on size effect of the tensile strength ofyellow sandstone based on Brazilian splitting testYI Jihai,WANG Chuangye,SUI Qingrui(Mining and Coal School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)Abstract:The Brazilian spliting test on the disc specimens with the same diameter and thickness of 25,50,and 60 mm,respectively,shows that the tensile strength decreases gradually with the increase of the specimen thickness and can be well fitted by a cubic func-tion.Additionally,it was observed from the distribution of RA and AF values in the acoustic emission signals that the shear fracture ex-hibits a considerable increase as the specimen approaches failure.Based on this,the changing trend of RA and AF values can be appliedin the stability analysis of rock masses in industries such as mining engineering.Key words:brazil split;tensile strength;size effect;acoustic emission岩石是一种非均质材料，其物理性质会受内部微观缺陷的影响，且微观缺陷会随尺寸的增大而增多，同时岩石破坏的强度降低，这就是岩石的尺寸效应工程开挖易导致岩体内部产生张拉破坏，由于岩体的抗拉强度远低于其抗压强度，从而引起一系列灾害因此研究岩石抗拉破坏的尺寸效应，对于工程实际有一定的意义。目前，已经有许多学者开展了岩石抗拉破坏尺寸效应的研究 1-3,如：徐燕飞等 4 用不同岩石和厚度试件做巴西劈裂试验时，发现试件抗拉强度的尺*基金项目：内蒙古自治区自然科学基金资助项目（2 0 2 2 MS05037）；内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目(NJYT22073).作者简介：伊继海（1 9 9 7），男，内蒙古科技大学硕士研究生，研究方向为采矿及岩石力学。通信作者：e-mail：y i _ji h a i 1 6 3.c o m收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 2161伊继海，等：黄砂岩巴西劈裂试验抗拉强度的尺寸效应及破裂特征研究寸效应受其单轴抗压强度及岩性的影响;刘松等 5 通过石灰岩的巴西劈裂试验，发现试件厚度对抗拉强度、弹性模量有影响；王创业等 6 在同高径比砂岩的巴西劈裂试验中，发现试件的抗拉强度随尺寸的增大而减小，随后趋于稳定。此外，在岩石的声发射（AE）试验中,RA、A F值常作为研究岩石破裂特征的方法，如：甘一雄等 7 基于RA、A F值进行了花岗岩劈裂破坏的机制分析，验证了以变异系数描述岩石破坏剧烈程度的可行性；刘健等 8】对不同岩爆倾向灰岩的AE信号和破裂特征进行了研究，发现试件随岩爆倾向性的增强，单轴加载过程中AF值呈减小趋势.以上学者的研究大多集中于力学性质的分析，但结合RA、A F值对尺寸效应影响下的岩石破裂特征分析较少，鉴于此,在已有的研究基础上 6 ,增加关于试件破裂特征的研究对工程中常见的黄砂岩进行巴西劈裂AE试验，并将RA、A F值和巴西劈裂尺寸效应关联起来，进而研究巴西劈裂抗拉强度的尺寸效应与破坏特征的关系。1试验方案设计1.1试件制备制备试验所需的试件时，选取一整块黄砂岩，将其加工成直径为5 0 mm，厚度分别为2 5，5 0 和60mm的3组圆盘试件首先，对试件2 个端面进行磨平，保证不平行度小于0.0 2 mm，端面垂直试件轴线最大偏差不超过0.2 5，符合我国岩石力学试验规程及国际岩石力学学会（ISRM）试验规程要求 9-1 0 1.2试验设备试验采用微机控制电液伺服岩石压力试验机（S A S-2 0 0 0，长春新科）对试件进行巴西劈裂试验.试验前在试件观测端面背部布置AE探头，同时，沿加载方向粘贴电阻应变片试验过程中同时使用多通道AE监测系统（SAEU2S，北京声华）和程控式静态电阻应变仪（BZ2205C，秦皇岛精英）实现岩石加载过程中的AE特征参数和应变信号的采集试验系统图如图1 所示，试验中采用力控方式对试件进行加载，加载速率为0.0 1 kN/s.试验开始前，首先设置AE系统参数，再通过断铅测试对AE传感器耦合情况进行检查确认无误后，开始加载并同步采集数据，直至岩石破坏，停止加载。试件正面试件背面加载板声发射探头应变片前置放大器控制柜留留留图留留留田留留留田8静态电阻应变仪O计算机声发射信号采集仪图1试验系统图2巴西劈裂试验结果分析2.1巴西劈裂原理在巴西劈裂试验中，试件抗拉强度的计算如式(1)所示：2P元Dh(1)式（1）中：h为试件抗拉强度,MPa;P为试件破坏时的最大载荷,N;D为试件的直径,mm;h为试件的厚度,mm.2.2试验结果及分析1)应力一应变分析试验测得试件的应力应变曲线关系如图2 示。6.0一h=25mm-h=50mm4.0.-h=60 mm2.00.00.00.10.20.30.40.5应变/%图2试件应力一应变曲线由图2 可知，在不同厚度试件的劈裂抗拉试验加载至破坏时，试件厚度越大则峰值应力越小，2)抗拉强度分析根据式（1）计算不同厚度试件的抗拉强度，结1622023年6 月内蒙古科技大学学报第42 卷第2 期果和试件参数如表1 所示.表1试件参数及抗拉强度厚度h直径D质量m抗拉强度h/mm/mm/g/MPa25.050.1109.44.450.150.1215.72.359.850.1257.42.2结合表1 绘出试件抗拉强度与厚度变化的关系，并用曲线拟合，如图3所示6.0试验曲线拟合曲线J=0.17x10-4x3-7.9110-4,2-9.3610-2x+6.854.0R2=0.9932.020.030.040.050.060.070.0厚度/mm图3抗拉强度随厚度变化关系的拟合曲线从上述图表中可以发现，在试件直径相同的条件下，随着厚度从2 5 mm增加到6 0 mm，试件的抗拉强度总体呈现出先急后缓的降低趋势。具体为：当试件厚度为2 5 mm时，抗拉强度为4.40MPa；当试件厚度增加至5 0,6 0 mm时,抗拉强度分别下降了48.1 8%和5 0.0 0%.试件厚度增加到一定程度后,抗拉强度降低逐渐趋缓，且试件厚度变化与抗拉强度的关系可用一个三次函数较好地拟合.3AE试验结果及分析3.1AE时间序列特征分析图4为不同厚度试件试验过程中AE事件率和AE累积能量随时间变化的关系图.AE事件率，即单位时间内出现AE事件的次数，可反映AE事件的总量和频度；AE累积能量，即试件受力过程中释放出的能量总和，可反映AE事件的强度.分析图4中2 个AE参数特征发现，在AE事件率变化特征中，不同厚度的试件在加载过程中均呈现曲折上升的现象具体来说：在加载初期AE事件率较平缓，幅度不超过5 0 个/s；但在破裂前AE事件率会出现激增现象，在此期间不再出现较低的事件率，且峰值均在1 5 0 个/s以下此外，AE事件率的波动程度随试件厚度的增加逐渐减小，试件厚度为6 0 mm时曲线波动较小.在AE累积能量变化特征中，不同厚度的试件在加载过程中都表现为2 个阶段：加载初期的缓慢上升阶段和破裂前的激增阶段厚度2 5，5 0 和60mm试件的累积能量峰值分别为1 2 1 1,2 1 4和102Vs,表明随着试件厚度的增加，加载过程中的累积能量活跃度逐渐降低，峰值也逐渐减少.(a)1501500AE累积能量(ST/V-AE事件率100100050500000100200300400508时间/s(b)(c)150300150150AE累积能量AE累积能量AE事件率AE事件率100200100100501005050000001002003004005000100200300400508时间/s时间/s图4不同厚度试件AE参数与时间关系(a)h=25 mm;(b)h=50 mm;(c)h=60 mm163伊继海，等：黄砂岩巴西劈裂试验抗拉强度的尺寸效应及破裂特征研究3.2破裂特征分析1)AE破坏类型分析试件破坏过程中的裂纹主要分为2 类，即张拉和剪切.RA值为上升时间与幅度之比,AF值为振铃计数与持续时间之比在日本JCMS1IIB5706(2003）混凝土建筑规范 中定义：低RA值、高AF值对应张拉破裂；高RA值、低AF值对应剪切破裂.这种RA、A F值与破坏类型的关系也即张拉破裂与剪切破裂的分类方式被大多数学者 1 2-1 3 认可。由上述分类方式得出的不同厚度试件的破裂类型散点图，其趋势具有一致性，差异不明显，故只展示厚度2 5 mm试件的RA-AF图，如图5 所示由图可知，在厚度为2 5 mm试件的巴西劈裂破坏过程中，以张拉破裂占主导，但张拉破裂与剪切破裂共同存在.150100ZHM/HV500050100150RA/(ms.V-1)图5试件厚度2 5 mm的RA-AF为了研究不同厚度试件的巴西劈裂试验对破裂类型分布变化的影响，统计出不同厚度试件中的张拉与剪切破裂占比，如表2 所示。表2不同厚度试件的破裂类型试件厚度破裂类型占比/%/mm张拉破裂剪切破裂2584165091960937从表2 中可以看到，试验中试件厚度越大，破坏过程中的张拉破裂占比越多，剪切占比越少；且从破坏类型占比看，张拉破裂随厚度的增加而增多，有较明显的尺寸效应。2)试件临近破坏时的破裂类型分析由于不同厚度试件在各个阶段AE信号中的RA与AF值的分布相似,故按阶段细分，总结不同厚度试件临近破坏时各阶段RA与AF值分布，以此揭示试件破裂特征的规律，参考其他学者 1 4 对于RA与AF 值分布随时间的变化的研究,定义t,为试件破坏时刻,以t-t为时间变量，将试件全部加载过程分别划分为4个阶段，分别为：第1 阶段1 0 st-ttr;第2 阶段5 str-t10s;第3阶段1 str-t5s;第4阶段0str-t1s.对比不同阶段内RA与AF值的变化规律其中，选取破坏时刻t时，应选择最后1 个振幅超过1 V的AE事件时间点不同厚度试件破裂类型分阶段划分如表3所示。表3不同厚度试件各阶段的破裂类型.试件厚度破裂类型占比/%t-t/s/mm张拉破裂剪切破裂10,t2591.538.475095.324.686096.073.935,102580.7219.285088.3311.676092.177.831,52578.9221.085072.7327.276079.5920.410,12556.2043.805059.0940.916051.4348.57根据表3数据，分析不同厚度试件在同一阶段内的破裂类型占比发现：第1、2 阶段内，剪切破裂随着试件厚度的增加而逐渐减少；第3阶段内，剪切破裂随着试件厚度的增加而增多，试件在厚度为50mm时，剪切占比达到最高，随后开始下降；第4阶段内，剪切破裂随着试件厚度的增加而增多，试件在厚度为5 0 mm时，剪切占比达到最高，随后又开始上升.说明劈裂抗拉试验中，破裂类型随时间的分布具有明显的尺寸效应在以张拉破裂主导的劈裂抗拉试验中，随着试件厚度的增加，剪切破裂分布逐渐增加，而当达到某一阈值时，剪切破裂分布又逐渐（责任编辑：王晓枫）1642023年6 月内蒙古科技大学学报第42 卷第2 期减少，占比下降。从单个试件的各阶段来看，皆表现为张拉破裂在大于剪切破裂，且不同厚度试件1 4阶段的张拉破裂占比分别为：9 0%、8 0%、7 0%和5 0%以上，即试件中张拉破裂随阶段的临近破坏而逐渐减少，在第4阶段中的张拉破裂最少说明试件在劈裂抗拉试验过程中，张拉破裂在各阶段都占据主导但当试件接近破坏时，张拉破裂减少，剪切破裂增多，依此可作为岩石破裂的前兆特征.4结论1)在直径相同的条件下，试件抗拉强度随厚度的增加而减小，基本符合三次函数形式，可供同岩性矿山工程参考。2)试件在巴西劈裂试验加载过程中，AE事件率随着载荷增加而增加，这与试件裂纹的逐步扩展有关.接近破坏时，AE事件率和AE累积能量激增，且AE累积能量随试件厚度增加而减小，有明显的尺寸效应.3）试件的巴西劈裂试验过程中，以张拉破裂为主，但随着试件厚度增加，张拉破裂占比增大，剪切破裂占比减小，有较明显的尺寸效应；在劈裂试验临近破坏时，不同厚度试件的破裂特征随时间的变化，同样以张拉破裂为主，但随试件厚度的增加，剪切破裂较之前阶段占比增大这说明试件巴西劈裂厚度的尺寸效应与其破坏特征有一定的联系基于此可将代表破裂特征的RA与AF值作为检测指标，应用于矿山工程等行业中岩体的稳定性分析.参考文献：1徐快乐，刘聪颖，倪鑫，等.砂岩巴西劈裂抗拉强度的尺寸效应研究 J.长江科学院院报，2 0 2 0,37（0 2）：126.2李帅,陈军斌，王汉青，等.基于多尺度页岩巴西劈裂试验的岩石强度尺度效应根源研究.力学与实践，2020,42(01):35.3张树文，鲜学福，周军平，等.基于巴西劈裂试验的页岩声发射与能量分布特征研究 J.煤炭学报,2 0 1 7,42(S2):346.4徐燕飞,赵伏军,王国举，等.不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应 .矿业工程研究,2 0 1 2,2 7(0 4)：7.5刘松，周宗红，肖迎春，等.石灰岩抗拉强度的试件厚度效应试验研究 J.中国钨业,2 0 1 5,30(0 2：7.6王创业,杜晓娅.基于尺寸效应的砂岩巴西劈裂声发射特征试验研究 J.矿业研究与开发,2 0 1 8,38（0 6）：44.7甘一雄,吴顺川,任义，等.基于声发射上升时间/振幅与平均频率值的花岗岩劈裂破坏评价指标研究 .岩力学,2 0 2 0,41(0 7):2 32 4.8刘健,王晓军，徐莎莎,等.基于声发射RA-AF值识别不同岩爆倾向性灰岩破裂特征 .金属矿山,2 0 2 2(10):16.9中华人民共和国行业标准编写组.SL2642001,水利水电工程岩石试验规程 S.北京：中国水利水电出版社,2 0 0 1.10KURUPPU M D,OBARA Y,AYATOLLAHI M R,etal.ISRM-suggested method for determining the mode Istatic fracture toughness using semi-circular bend speci-men J.Rock Mechanics and Rock Engineering,2014,47(01):267.11JCMSIIIB5706.Monitoring method for active cracksin concrete by acoustic emissionSJ.Japan:Federationof Construction Materials Industries,2003.12王桂林,王润秋,孙帆，等.单轴压缩下溶隙灰岩声发射RA-AF特征及破裂模式研究 J.中国公路学报，2022,35(08):118.13李漾，刘洋，丁翠，等.不同层理煤破坏过程声发射RA-AF特征研究 J.煤矿安全,2 0 2 2,5 3(0 1）：37.14LEI X,MA S.Laboratory acoustic emission study forearthquake generation process JJ.Earthquake Science,2014,27(06):627.