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。     

巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法

 提出巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中便于测量的物理参数,基于微积分的原理,通过对试样中心垂直加载方向上每一点拉应变的积分,可以得到该方向上总的变形量,进而推导出岩石拉伸模量和总位移变形量之间的定量关系式。该关系式包含加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心垂直加载方向上总位移变形量5个物理量,其意义明确,运用简便,可为求解巴西劈裂试验拉伸模量提供一种新的方法。     

高强混凝土巴西圆盘动态劈裂试验

以圆形紫铜片作为波形整形器,利用直径100 mm的霍普金森压杆装置,研究了不同弹速冲击下高强混凝土平台巴西圆盘试件的动态拉伸强度,得到了高强混凝土在冲击作用下的劈裂强度、破坏模式和应力时程曲线。试验结果表明:随着冲击应变率的提高,高强混凝土试件的动态劈裂强度和破坏程度不断增大,具有显著的应变率敏感性。高速冲击荷载下的混凝土断面区较为光滑,裂缝直接穿过石子导致试样断裂。     

动态巴西圆盘劈裂试验的极限分析解

通过极限分析上限定理对巴西圆盘动态劈裂试验的弹性解进行了优化,考虑高速冲击作用导致的岩石试件端部剪切裂纹对动态拉伸强度的影响,获得了计算动态拉伸强度上限解的新公式。通过对实测的砂岩动态劈裂试验结果的分析,对比了原始的弹性解和得到的上限解间的差别,研究表明砂岩的动态拉伸性能随加载率的变化不明显,随着加载率的提高,动态拉伸强度曲线较平缓,说明砂岩在动态作用下承受拉应力的能力较低,抗拉强度的变化范围较小。同时验证了基于极限分析法的岩石动态抗拉强度公式可以为砂岩的工程应用提供更安全可靠的参考值。     

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。     

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。     

高径比对混凝土巴西劈裂试验结果的影响

通过对不同尺寸的混凝土试件进行巴西劈裂试验,研究了混凝土试件高径比对巴西劈裂试验结果的影响,确定了混凝土试件巴西劈裂试验的合理高径比。实验结果表明：混凝土试件在巴西劈裂试验过程中主要分为四种破坏模式。对于不同尺寸的混凝土试件,高径比为0.5或1.0的混凝土试件均可以通过巴西劈裂试验得到抗拉强度。然而,高径比为1.0的混凝土试件稳定性明显优于高径比为0.5的混凝土试件。在试件个数有限的情况下,建议采用高径比为1.0的试件进行混凝土巴西劈裂试验。     

混凝土双剪统一强度理论的改进

在双剪统一强度理论的基础上,用八面体剪应力和八面体正应力代替第二主剪应力和剪切面上的正应力,得到改进的双剪统一强度理论。改进后的双剪统一强度理论,将强度计算公式简化成一个,并得到光滑的强度曲线,更适合有限元程序使用。因此改进双剪统一强度理论是对原双剪统一强度理论的一种合理的完善。     

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。     

质疑岩石巴西圆盘拉伸强度试验

指出人们使用了40多年的巴西圆盘试验拉伸强度公式是来自二维问题的弹性力学解答,而实际情况并不满足该公式所要求的平面应力或平面应力条件。分析指出,在三维条件下影响试样应力分布的因素有试样高径比和材料的泊松比。通过40次三维有限元分析,得到了高径比和泊松比对试样拉应力分布影响的规律。发现了试样中最大拉应力出现在试样端面的中心,并拟合出了最大拉应力的计算公式。根据Griffith强度理论和Mohr强度理论,计算了试样中的最大等效应力,发现试样的破坏不可能满足中心起裂条件。由于加载点应力集中的影响,试样必然从端面加载点处起裂破坏。因此认为巴西试验方法已不适合用于测试岩石类脆性材料的抗拉强度。     

线性和非线性的统一强度理论

统一性,即将以前相互没有联系的概念、方法、理论、现象等统一起来,这是一个科学理论美的重要特点之一。统一强度理论是一种新的序列化的理论,它不仅建立起各种线性破坏准则的相互联系,并且产生一系列新的准则。单剪强度理论、双剪强度理论和介于单剪强度理论与双剪强度理论之间的一系列线性准则均为它的特例。但是,它没有将Huber-von Mises准则等非线性准则统一起来,而只能线性逼近它们。根据一个新的力学模型,提出一个普遍形式的统一强度理论,它不仅将单剪强度理论和双剪强度理论的线性准则统一起来,并且将八面体剪应力理论的非线性准则统一起来,从而建立起各种强度理论之间的相互联系,并将最常用的各种强度理论统一于一体,形成一个线性和非线性准则统一的普遍形式的强度理论,可以适用于更多的材料。     

道路工程中混凝土弯拉强度与劈裂强度换算关系的试验研究

在对水泥混凝土路面进行质量评价时,弯拉强度与劈裂强度是两项重要的控制指标。文章基于皖北某高速的建设实例,对水泥混凝土路面的这两项指标进行对比试验研究,得到了水泥混凝土路面弯拉强度与劈裂强度的换算关系式,并探讨了劈裂试件尺寸效应对工程检测结果的影响。     

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。     

混凝土统一强度理论及其应用

总结了国内外各种混凝土多轴强度理论和大量实验资料，提出了一种介于莫尔－库仑理论和双剪应力强度理论之间的混凝土统一强度理论，考虑了中间主应力σ２的影响，具有清晰的物理概念，较简单的数学表达式．通过分析比较可知，与国内外学者的试验结果吻合较好，算例表明，可以适用于工程应用     

不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究

 通过电镜扫描试验,发现板岩具有明显的变余层理构造和板劈理构造,因而可采用巴西圆盘劈裂试验揭示其力学特征。对7种不同层理角度? 下的圆盘进行劈裂试验,得到圆盘的3种破坏形式：?＜45°为纯拉伸破坏,? = 45°～75°为剪切拉伸破坏,?＞75°为剪切破坏。同时,板岩受内部层理构造的影响,其抗拉强度随?值从0°变化到90°而逐渐降低;垂直于各向同性面的弹性模量和泊松比受层理角度影响不大,且前者比各向同性面的弹性模量值略小。     

3 种岩石的平台巴西圆盘动态劈裂拉伸试验分析

为研究应变率对岩石动态劈裂拉伸性能的影响,采用紫铜波形整形器改进后的直径为100 mm的分离式Hopkinson压杆试验系统,以不同打击杆速度冲击斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩的平台巴西圆盘试样,分析不同应变率下3种岩石的拉伸敏感系数、径向应变、拉伸杨氏模量以及破坏方式的变化规律。试验结果表明:3种岩石的拉伸敏感系数随着应变率的提高而增加,斜长角闪岩的动态拉伸强度对应变率最敏感,绢云母石英片岩次之,砂岩的敏感性最弱;3种岩石的径向峰值应变与应变率成正比,绢云母石英片岩和斜长角闪岩的径向极限应变远小于砂岩的径向极限应变;3种岩石的卸载段模量都大于各自上升段的杨氏模量,斜长角闪岩和绢云母石英片岩的卸载段模量远大于砂岩的卸载段模量;岩石动态劈裂拉伸的最终破坏方式与打击杆速度密切相关。     

加载角度对弧形加载巴西劈裂试验影响的数值研究

巴西劈裂试验具有试件加工方便、试验易于实现等优点,是测试岩石抗拉强度的主要方法,但是相关规范没有对加载角度作出限定,导致试验的结果较为离散.为研究加载角度对巴西劈裂试验的影响,利用有限元软件ANSYS建立加载角度为0°的集中加载模型,计算得到的应力数值解与理论解误差较小,证明数值模拟的有效性;之后以集中加载模型为原型分...     

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。     

采用平台巴西圆盘试样测试岩石抗拉强度的方法

指出三维条件下影响平台巴西试样应力分布的因素有试样的高径比和泊松比。通过80次三维有限元弹性计算，得到高径比和泊松比影响试样应力分布的规律，并发现试验中试样的起裂点不在端面中心。将起裂点出现在端面受压直径上的破坏定义为有效破坏，发现材料的抗拉强度与抗压强度的比值与有效破坏时的最大等效应力有着密切关系，即拉压强度比越大，最大等效应力出现的位置离端面中心越远，并且最大等效应力与拉压强度比成高度的线性关系。根据这一结果，得到基于强度理论测试平台巴西试样抗拉强度的方法和公式。与传统测试方法不同，这种方法需要知道材料的泊松比和抗压强度，以及适合于岩石材料的强度理论。     

关于“硬岩巴西劈裂法试验误差影响率分析”的讨论

<正>《岩土工程学报》2007年第7期"硬岩巴西劈裂法试验误差影响率分析"一文(以下简称原文)的结论,"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严格取为1.0",颇感兴趣,因而进行了仔细学习,并查阅了一些文献。可惜对文中有些内容仍不能理解,提出来向作者请教。失礼之处,还望海涵。