基于数字图像相关（DIC）的岩石直接拉伸强度（DTS）与巴西拉伸强度（BTS）测试技术比较、压板形状与软垫效应及预测相关性研究

《Rock Mechanics and Rock Engineering》：A Comparison of Tensile Testing Techniques and Predictive Correlations

　　

岩石地基的工程性质是坝体分析中的关键参数，因为它们有助于理解结构在相关荷载条件下的表现。一项重要但难以准确评价的工程性质是岩石的抗拉强度。由于完整岩石的直接拉伸强度（direct tensile strength, DTS）测试并非易事且成本较高，抗拉强度通常由更常用的间接方法推断，如巴西拉伸强度（Brazilian tensile strength, BTS）测试——类似于对混凝土进行的劈裂抗拉强度测试——或利用与其他力学性质的相关关系，如裂纹起裂（crack initiation, CI）强度、广义Hoek-Brown破坏准则中的m_i参数或I型断裂韧度（Mode I fracture toughness）。本研究利用稳健的室内试验程序，采用先进的数字图像相关（digital image correlation, DIC）系统，以理解不同压板形状和软垫使用如何影响BTS结果，改进对DTS与BTS测试之间关系的认识（特别关注优化试验布置），并探索其他室内实测性质（如CI和m_i）与DTS之间的相关性。DTS难以直接测量，但研究发现，当采用弯曲压板（无论是否使用软垫）进行测试时，DTS与BTS密切相关；该试验布置还导致破坏机制与Hondros (1959)、ISRM (1978)和ASTM (2016)的基本假设一致。在分析不同压板布置的BTS数据时，重要的是使用包含加载弧角度的关系式，以确保数据可比，因为在完整应力解中BTS是加载弧角度的函数。研究发现，使用CI或m_i估计DTS不可靠，而BTS提供了最接近的近似。

研究背景与问题：岩石地基工程性质是坝体分析的关键参数，抗拉强度尤其重要但难以准确评价。完整岩石直接拉伸强度（direct tensile strength, DTS）测试非平凡且昂贵，常由巴西拉伸强度（Brazilian tensile strength, BTS）等间接方法或与其他力学性质（裂纹起裂（crack initiation, CI）、广义Hoek-Brown m_i、I型断裂韧度）的相关关系推断。ISRM、ASTM及岩石力学界对BTS压板布置、是否使用软垫、采用式1或式2分析数据缺乏共识；不同压板接触面积和加载弧角α影响BTS可比性，且何种BTS布置最能一致估计DTS尚不明确。研究人员因此比较玄武岩和砂岩的DTS、BTS、单轴抗压强度（uniaxial compressive strength, UCS）、三轴抗压强度（triaxial compressive strength, TCS）及m_i，重点检验压板形状与软垫对BTS、DTS-BTS关系及CI、m_i与DTS相关性的影响。其意义在于减少坝基抗拉强度参数估计不确定性，改进BTS试验与数据解释。

关键技术方法：采用HQ尺寸（内径61 mm）绳索取芯的玄武岩（华盛顿州Yakima附近，Grande Ronde Basalt组）和砂岩（新墨西哥州Gallup附近，Dakota砂岩组Twowells Sandstone Tongue）。BTS用弯曲、平、回弯压板，分别有/无卡纸软垫，碳纸估接触面积；DTS用胶接端帽，链连接减少端部破坏，玄武岩车制狗骨；UCS和TCS用夹式应变计，按裂纹体积应变法求CI，按Hoek-Brown拟合求m_i；BTS同步用ARAMIS DIC系统测二维应变演化。

4.1 Physical Properties（物理性质）：三点玄武岩和四点砂岩试样显示玄武岩孔隙率显著低于砂岩，为分析提供低孔隙火成岩与较高孔隙沉积岩范围。

4.2 BTS：不同压板/软垫组合的峰载和BTS箱线图、破坏形态及DIC应变表明，回弯和平压板常见压板处粉碎区，弯曲压板较少；玄武岩峰载随α增大且软垫普遍提高峰载，砂岩有散点；弯曲压板BTS最低，软垫通常提高BTS（砂岩回弯例外），平与回弯BTS相近。DIC显示α越小压板处水平应变ε_x集中越强，软垫降低压板集中；弯曲压板加软垫在中心ε_x集中最大、压板粉碎区最小，最符合中心起裂假设。

4.3 DTS：DTS测试结果与各BTS布置比较显示，玄武岩和砂岩DTS均最接近弯曲压板无软垫的BTS，其他布置BTS大于DTS；玄武岩曲板无垫接近DTS=0.85BTS平均及0.83BTS火成岩关系，砂岩曲板有垫接近0.85BTS平均及0.69BTS沉积岩关系。

4.4 UCS, CI, TCS, and m_i：UCS结果给出峰值、E、ν、CI及CI%UCS；玄武岩CI%UCS超出常用30–50%范围，原文认为可能受局部弱区或未捕获应变集中影响；砂岩CI%UCS均值52%处于高端且较一致。DTS/CI比值玄武岩大于0.13CI关系，砂岩与之吻合；DTS/UCS玄武岩约为砂岩两倍。TCS拟合显示玄武岩m_i接近σ_ci/DTSmean，砂岩显著不同，提示以m_i估DTS并非普遍可靠。

讨论总结：讨论指出，两阶段BTS结果揭示α控制破坏机制：α越小压板处应变/粉碎越强；DIC和破坏形态支持随加载宽度增大及使用软垫，水平应变集中由压板转向中心。弯曲压板（尤其加软垫）最符合Hondros完整应力解和ISRM中心起裂要求，且BTS最低、最接近DTS及Perras和Diederichs关系；平/回弯数据用同一常数分析可能不合假设。CI均值玄武岩36%、砂岩52%，但玄武岩36%为跨范围平均值不代表真实点；CI/DTS多低于8–12，CI估计DTS不可靠，声发射或可改善。m_i与DTS仅部分有效且依赖岩性。

研究结论翻译：岩石DTS是坝基或其他建在岩石上结构建模的关键输入参数，但直接实验室测定困难，常由BTS或其他试验相关性估计。本工作通过玄武岩和砂岩的综合室内试验研究常用DTS测试或估计方法，并建立在前期阶段基础上，包括DTS、BTS、确定CI的压缩加载和估计m_i的TCS。对非狗骨直圆柱用胶接端板直接测DTS可能不可靠，试样易在端板处断裂或分离；在压板与试验机横梁间使用链条可减少端板断裂事件，但许多试验仍无效；当岩石抗拉强度达到或超过胶结强度时，狗骨化有助于在中心集中应力并提高可靠性。研究结果表明，为使BTS满足Hondros完整应力解和ISRM中心起裂要求，应采用弯曲压板加软垫；DIC的ε_x图像显示平或回弯压板即使加软垫也易在压板处起裂形成粉碎区，而弯曲压板促中心破坏；弯曲压板有无软垫通常BTS最低且最接近DTS及常用相关性。由于ASTM(2023)不再包含弯曲压板且ISRM建议方法已近50年，使用合同实验室BTS数据时须注意压板形状和分析方法；若用平或回弯结果，Perras和Diederichs的DTS相关性可能无效。分析BTS数据应认识Hondros完整应力解含α，式1和式2是基于加载面积和破坏机制假设的简化；式1和式2可分别用于平和弯曲压板以满足ASTM(2016)，但ASTM(2016)与ISRM(1978)方程不一致且分歧原因不明；Perras和Diederichs表明αmean越大中心拉应力越小，提示ASTM(2016)正确；不同压板接触面积可用修改常数分析，用同一常数比较不同压板不合假设并可能引入不确定性；α可能依赖材料模量或脆性，低模量材料同一压板配置α更大。CI/DTS比不在8–12范围，提示所测岩石中CI不是DTS可靠指标，可能因间接法算CI的不确定性，尤其高孔隙材料，声发射直接测CI或可改善；m_i与DTS相关有一定价值但依赖岩性。室内试验常见但需细致，研究人员建议与高质量实验室工程师共同制定稳健周密的测试程序以降低而非增加总体不确定性。