圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

 提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。     

平台圆盘劈裂的理论和试验

圆盘试样的劈裂试验可以确定岩石的抗拉强度,不过由于压条与试样接触处的压应力极高引起岩石的屈服碎裂,与试验原理不符。在圆盘试样中引进两个平台作为加载面,可以改善加载处的应力状态。实际试验时平台圆盘是压缩位移加载,内部的应力分布与均布载荷作用时不同。基于有限元计算,给出压缩位移加载状态下抗拉强度、压缩位移公式中的修正系数。在作用合力一定时,随平台张角的增大圆盘中心的拉应力降低,而压拉应力比增大,因而为了求得真正的岩石抗拉强度,平台张角不宜过大。又考虑到平台加工的和压缩加载的方便,建议选择30°左右。试样通常不会沿对称轴劈裂,试验机是位移控制加载,利用平台圆盘劈裂试验确定岩石断裂韧度KIc是困难的。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

三峡花岗岩劈裂抗拉特性与弹性模量关系的研究

采用三峡花岗岩在伺服试验机上进行了劈裂拉仲全过程试验，发现试样破坏前加载力与加载点位移存在着明显的线性关系。认为这一线性特征体现了岩石弹性特征，因此可从加载力．加载点位移全过程曲线上直线段的性质来推算岩石的弹性模量。定义了劈裂模量，经过大量的劈裂抗拉和单轴抗压对比试验，提出三峡花岗岩的弹性模量与劈裂模量二者的经验比值为19．2。最后，通过三维有限元数值试验，从理论上证明了加载力与加载点位移之间存在着正比例关系，并指出二者的比例系数与岩石的弹性模量和试样的几何尺寸有关。     

平台巴西圆盘劈裂和岩石抗拉强度的试验研究

在巴西圆盘试样中引进平台作为加载面,可以改善加载处的应力状态。利用有限元计算平台巴西圆盘均匀位移压缩时,随着平台中心角的增大,圆盘中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,应用Griffith准则能否确定岩石的抗拉强度以及应该如何选择平台中心角需要研究。对花岗岩、砂岩、石灰岩和辉绿岩,以中心角20°～90°的平台巴西圆盘进行劈裂试验,圆盘不是沿中心线破坏,且抗拉强度随平台中心角增大而增大。原因有两个,一是Griffith准则过高地估计了抗拉强度,二是试验机压头与平台之间存在摩擦。垫入0.5mm厚聚四氟乙烯薄片可使平台圆盘沿中心线破裂,但垫片侧向变形大于岩石,平台受到指向外侧的摩擦力,使得圆盘强度随中心角的增大而降低。单轴压缩强度高达240MPa的花岗岩,其劈裂强度(13MPa)与平台圆盘的劈裂强度相当,其余3种岩石完整圆盘的劈裂强度明显偏低,说明集中载荷造成的影响不容忽视。综合考虑摩擦效应和平台加工质量的影响,圆盘中心角以20°～30°为宜。     

对“平台圆盘劈裂的理论和试验”一文的回复

更全面地考察了用平台巴西圆盘试样的试验方法，该方法用一次实验估算岩石材料的3个力学参数，即弹性模量、拉伸强度和断裂韧度。然而，加载方法和材料实验机平台与“圆盘平台”的接触条件对3个力学参数的计算公式有不同程度的影响，可以适当地修正这些公式中的参数来体现这种影响。     

干燥及饱水岩石圆盘和圆环的巴西劈裂强度

 为研究饱水对岩石抗拉强度的影响,对4种岩石的外径50 mm、厚30 mm左右的完整圆盘及不同内径(0～20 mm)的圆环进行巴西劈裂试验,对完整圆盘破裂块进行点载荷试验,对标准圆柱试样进行单轴压缩试验。基于完整圆盘劈裂强度的统计分析,除大理岩之外,其余岩石进行5次重复试验即可消除离散性。饱水对岩石拉伸强度的影响主要体现在黏结力降低,而对压缩强度的影响还包括内摩擦因数及孔隙压力。因而巴西劈裂强度的软化系数Rt大于压缩强度的软化系数Rc,而两者大致成线性关系表明圆盘的巴西劈裂与加载点的压应力集中相关;圆环内径增大到20 mm,干燥与饱水岩石圆环的巴西劈裂载荷大致相同,表明压应力的影响已经减小。圆环的巴西劈裂载荷随内径大致呈指数关系降低,而弹性力学的分析结果如Hobbs 公式与实际情况差别较大。     

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是：在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。     

岩石劈裂试验声发射特征的有限元分析

为研究岩石劈裂破坏过程中声发射的时空特征与演化规律,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对岩石试件在不同加载条件下的准静态劈裂拉伸试验进行数值仿真模拟,并依据模拟结果,分析了加载条件对岩石劈裂破坏试验声发射特征的影响,探讨了各加载条件下巴西圆盘试验的有效性。结果表明:相较于平台加载和弧形加载,垫条加载条件下试件的声发射活动(含声发射事件累计数与声发射率)最先达到峰值,但峰值点却最低,最终劈裂破坏程度也最轻;声发射率的峰值点略提前于加载位移急剧增长的时间点,可据此预判花岗岩试件的破坏时刻,而这一特征在平台加载与弧形加载时尤为明显,在垫条加载时则不显著;平台加载与弧形加载条件下的巴西圆盘试验基本满足中心起裂条件,而垫条加载时却不满足;此外,由本文研究可知,运用ANSYS/LS-DYNA建立三维有限元模型来分析岩石劈裂试验的声发射特征是可行的,且与其他数值模拟手段相比,与实际工况更相近,普适性也更好。     

岩石直接拉伸与压缩变形的循环加载实验与双模量本构模型

采用一种可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸试验的岩石试样试验装置,对5种岩石进行了压缩和拉伸循环加载试验。结果表明,对于其中压缩平均变形模量ECA较拉伸平均模量ETA大得多的3种岩石(ECA/ETA分别等于2,2.5和6),拉伸下的卸载平均模量ETAUN远大于ETA,且ETAUN约等于ECA。因此,虽然这几种岩石压缩下的变形可近似视为弹性的,拉伸下的变形却是非弹性或塑性的。一些研究者对ET<相似文献   

砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中变形与强度特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学多功能系统,对砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中的变形与强度特征进行试验研究。试验结果表明：常规劈裂试验峰值前的变形与单轴压缩的变形特征大致相同,可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段;疲劳破坏完全受到常规劈裂全过程曲线的控制,破坏时的变形量与上限载荷(应力)在常规劈裂全过程曲线峰后对应的变形量相当;疲劳试验过程中的变形量(变形速率)与时间曲线类似蠕变特征曲线,可分为初期加速、等速和加速3个阶段;疲劳上限载荷(应力)比、抗拉疲劳强度与循环次数呈负相关,疲劳上限载荷(应力)比是影响岩石疲劳寿命主控因数,试样内部原微裂纹等缺陷分布特征对劈裂疲劳寿命影响显著;疲劳上限载荷(应力)比增加导致疲劳寿命降低,而破坏时拉伸变形基本保持不变。     

岩石横观各向同性参数试验研究

从横观各向同性理论出发,对现场采集的岩样进行室内单轴压缩试验和巴西劈裂试验,对岩石的各向异性参数进行了研究,探讨了弹性模量、抗压强度和抗拉强度随岩层倾角变化的规律,以及压力和拉力作用下各个不同倾角的岩样的破坏情况,并得出了横观各向同性岩体的弹性特征参数,为岩石各向异性的研究提供了一些有价值的参考信息。     

损伤岩石受拉变形模量的理论计算方法

岩石受拉破坏过程本质是微裂纹扩展过程,假设均匀损伤的岩样由很多单裂纹岩石单元组成,受拉条件下含裂纹岩石单元的应变包括裂纹张开引起的岩石弹性应变,非弹性应变,岩石基质的弹性应变。采用COD理论计算裂纹尖端的最大张开位移,根据裂纹张开位移计算单裂纹单元的应变增量,计算出岩样受拉破坏时的应变与初始裂纹密度和裂纹最小间距的关系,最后建立了受拉条件下损伤岩样的体积变形模量计算方法。本方法能同时有效描述初始裂纹数量和裂纹长度对岩石变形的影响,更符合实际情况。结合算例分析显示:岩石裂纹张开引起的应变(包括弹性部分和塑性部分)是损伤岩石变形的重要组成部分,与初始损伤系数和内在抗拉强度成正比,与岩石基质弹性模量成反比。岩石的变形模量随着岩石的初始损伤增加而减小,随着裂纹长度损伤因子的增大而减小。并且初始损伤系数与初始裂纹密度以及裂纹最大半长的平方均成正比。     

乌东德坝基岩体变形模量与波速相关性及应用

坝基岩体变形模量是拱坝设计最重要的参数之一,实际中由于受到资金、时间、尺寸效应等限制,承压板试验不可能大量开展,工程常采用岩体变形模量与波速之间的相关关系来估算坝基岩体变形模量以评价其工程地质特性是否满足建坝要求。在乌东德水电站坝基边坡开挖工程中,开展了钻孔变形模量和声波测试。乌东德坝基为典型层状岩体,左岸坝基及河床岩体测试孔方向与层面走向近平行,右岸坝基岩体测试方向与层面近垂直,分析表明坝基岩体中有明显充填特征层面对岩体变形模量值和声波值具有不对称影响。结合测试钻孔高清电视选择合理数据,建立了坝基岩体变形模量与单孔声波二者之间的相关关系。通过与坝基岩体的承压板试验成果对比验证,所建立的相关关系是符合实际地质条件的。将该方法应用于大坝坝基深部岩体变形参数估算及坝基表层松弛岩体灌浆处理效果评价工作中,证明是可行的有效方法。本文的研究成果为坝基岩体变形特征的评价提供科学依据,对高拱坝坝基工程勘测设计具有重要的理论和实践意义。     

硬岩巴西劈裂法试验误差影响率分析

岩石的抗拉强度是导致岩石黏结性破坏的极限应力,在工程上,将劈裂法试验规定为测定岩石抗拉强度的必做试验。大量的试验结果研究表明:劈裂法不能真实地反映岩石的抗拉强度,实验结果有误差。本文经过硬岩的巴西劈裂法实验,得到了硬岩巴西法试验结果的误差值与厚径比的关系曲线,可以知道误差影响的主要来源是试件的厚度变化误差。由计算结果和回归曲线还可以知道,在厚径比为1.0附近时,误差影响量总和最小。因此,为了控制实验误差,建议以后进行劈裂试验时,试件厚径比L/D严格取1.0。     

垫条直径对岩石劈裂抗拉强度的影响研究

在岩石巴西劈裂试验中,垫条直径直接影响岩石抗拉强度的大小。为此,选取典型砂岩试样,进行了1.3 mm、1.8 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.5 mm、4.0 mm 6种垫条直径的巴西劈裂试验。研究结果表明:(1)钢丝垫条直径从1.3 mm增大到4.0 mm,砂岩劈裂抗拉强度呈“减小—稳定—增大”的非单调变化规律,总体可以分为三个阶段,其中,垫条比为0.026～0.046、0.058～0.081时,砂岩的抗拉强度试验结果变化幅度较大,而且离散性比较明显;垫条比为0.046～0.058时,砂岩的抗拉强度趋于稳定,而且,试验结果离散性明显较小,破裂面平直,垫条对岩样的劈裂张拉破坏起到很好的导向控制作用。(2)钢丝垫条直径对岩石抗拉强度及破坏模式的影响,实际上是垫条直径与矿物颗粒粒径相互关系的影响,从试验结果来看,当垫条比为0.046～0.058时,也即垫条直径与矿物颗粒粒径比值在5.750～7.250时,试验得到的岩石劈裂抗拉强度比较稳定,离散性较小。因此,在岩石巴西劈裂试验中,建议根据岩石矿物颗粒大小选取合适的垫条直径,以保证试验结果的合理性和准确性。     

马普托大桥南锚碇工程半成岩力学特性试验研究

半成岩是一种半岩半土的特殊工程地质载体,目前针对半成岩力学特性的研究较少。依托马普托大桥南侧锚碇工程,设计可同时进行岩基承载及两相胶结面剪切的现场试验框架,开展基底细砂半成岩载荷试验和混凝土–半成岩两相胶结面剪切现场试验,获得细砂半成岩的承载和剪切力学参数,进一步深入研究和讨论半成岩变形模量的预测方法及混凝土–半成岩两相胶结面剪切破坏的形态及机制。研究表明细砂半成岩的承载性能与岩石类似,采用基于现场地质条件的经验方法可以较准确地估算半成岩的变形模量;细砂半成岩的混凝土–半成岩两相剪切具有独特的性质,其低致密性导致与混凝土形成很强的胶结作用和较明显的胶结带,从而增加了两相胶结面的粗糙程度。在预测混凝土与半成岩两相胶结抗剪强度时,需充分考虑混凝土浸入半成岩的胶结作用。研究结果为大桥锚碇设计提供了可靠的参数支持,为类似地质条件的工程提供可靠依据。     

多级循环加卸载作用下砂岩变形规律试验研究

以RMT-150C岩石力学试验机为试验平台,对砂岩岩样开展低频多级循环加卸载试验,研究得到了不同频率下当加载力峰值大于破坏荷载的28%时,表观弹性模量E(t)与即时载荷f(t)呈线性关系;同时对该关系中压密系数a、变形系数b进行拟合,得出随加载力峰值增大,a值递减、b值递增的变化规律。基于该规律,提出了一种通过有限加卸载循环下的试验数据预测任意屈服前加卸载峰值下的应力―应变曲线的方法;并给出了变频变峰下岩样位移变形速率的预测公式,同时根据该公式对岩样位移速率峰值点时刻进行了预测。由该预测值与加载力峰值和实测位移变形速率峰值时刻值的对比,指出岩样循环加卸载中存在的“错峰”现象也是力―位移存在不同步性的体现。