载荷接触条件对岩石抗拉强度的影响

岩石抗拉强度是岩石的一个重要力学性质，也是岩石结构的强度设计与稳定性分析的一个控制参数。在测试岩石抗拉强度的巴西圆盘劈裂试验中，载荷接触方式以及垫条尺寸等对测试结果会产生重要影响，但测试中尚无严格规定，从而造成抗拉强度测试结果有很大的离散性。通过有限元数值计算与理论分析相结合的方法，对不同载荷接触条件和接触面宽度角下的岩石抗拉强度进行了深入分析，结果表明，在圆弧形和平台加载条件下计算的岩石抗拉强度随载荷接触宽度角α的增大而增大。不同尺寸圆钢垫条的巴西圆盘劈裂试验结果也表明，岩石抗拉强度测试值随垫条直径的增大而增大，与理论分析相符。对试验所采用的白色大理岩，将垫条直径与试样直径的比值d／D控制在0．024-0．040范围内，测试结果比较接近数值计算值，且比较稳定。这一结论为岩石抗拉强度的正确测定奠定了理论和试验基础。     

典型巴西劈裂试验与直接拉伸试验的比较研究

基于三种巴西劈裂试验和直接拉伸试验测量不同尺寸的红砂岩和花岗岩的抗拉强度。三种巴西劈裂试验分别是无垫条巴西劈裂法、垫条巴西劈裂法和弧形夹具巴西劈裂法。通过测量试件的应变,跟踪裂隙的起裂轨迹。试验结果表明,巴西劈裂试验获得岩石抗拉强度均大于直接抗拉强度;采用无垫条及垫条法获得的岩石抗拉强度最为接近直接抗拉强度,无垫条及垫条法均可用于测量岩石的抗拉强度,但是前者的操作性优于后者。     

混凝土立方体与圆柱体劈裂抗拉强度尺寸效应研究

进行了尺寸为150 mm至750 mm的立方体和尺寸为150 mm至550 mm的圆柱体试件劈裂抗拉试验,试验中保持垫条宽度与试件尺寸比值不变以消除垫条宽度对不同尺寸试件试验结果产生的影响差异。建立了基于Weibull统计强度理论的混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应计算公式,并讨论了骨料粒径对尺寸效应的影响。研究表明:该公式与试验数据吻合良好,能较好地预测不同尺寸普通混凝土试件的劈裂抗拉强度,最大骨料粒径为150 mm的全集配混凝土的劈裂抗拉强度比普通混凝土表现出更明显的尺寸效应。     

垫条宽度对圆柱体劈拉强度的影响

进行了尺寸为φ150mm×300mm,垫条宽度为5mm至18mm的圆柱体试件劈裂抗拉试验,并使用课题组自制直接拉伸试验机进行了尺寸为100mm×100mm ×550mm的棱柱体直接拉伸试验.探讨了垫条宽度对圆柱体劈拉强度的影响,将试验得到的劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的比值随垫条宽度的变化曲线同有限元分析得到的变化曲线作对比,给出了试验中垫条宽度的合理取值范围,并对试验与有限元分析结果不同的原因进行了分析.     

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。     

长方形岩石抗拉强度测试方法研究

使用长方形试样的劈裂试验测定岩石抗拉强度时,仍然沿用巴西圆盘抗拉强度计算公式,与实际情况差异较大。基于平面应力状态假设,通过平面应力问题的傅立叶级数解答推导了长方形岩石劈裂应力计算公式,经计算发现,截面最大拉应力出现在试样对称轴上的某一点,且随着试样宽长比b/a的减小,最大拉应力逐渐接近试样中心点的拉应力,通过计算截面形状函数,确定最大拉应力出现的位置,建立了方形岩石劈裂抗拉强度计算公式。经砂岩与大理岩劈裂试验验证,该计算公式计算得到的抗拉强度值一致性较好,能真实反映岩石的力学性能,是测定岩石抗拉强度的一种有效方法,建议采用b/a小于1且2a大于70 mm的试样进行岩石方形劈裂抗拉强度测定。     

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。     

垫条宽度对轻骨料混凝土劈裂抗拉试验影响的数值模拟

为了研究垫条宽度对轻骨料混凝土劈裂抗拉试验的影响,在三维细观结构轻骨料混凝土有限元模型的基础上,模拟了不同垫条宽度(5mm、10mm、15mm、20mm、25mm)下轻骨料混凝土劈裂抗拉试验的破坏形态,并对其应力云图进行分析。结果表明:轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度随垫条宽度的增加而增大,破坏形态先由局部压碎破坏变为劈裂受拉破坏,最终向单轴受压破坏过渡。应力云图拉应力面积随垫条宽度的增大而先增大后减小,垫条宽度为15mm和20mm时,拉应力集中在试件中部,且试件外表面中间部位拉应力分布最均匀,垫条宽度选用15mm和20mm最为合理。     

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。     

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。     

基于细观颗粒离散元的花岗岩劈拉破损行为研究

由于试件制备简单、试验便于操作,巴西劈裂试验被广泛用于测量岩石的抗拉强度,但试验结果易受细观结构、平台中心角、端部摩擦等因素影响。针对上述问题,本文对花岗岩进行矿物成分鉴定,采用数字图像技术表征试件的真实结构,建立了颗粒离散元的岩石细观力学模型,利用该模型对花岗岩的劈拉试验进行了数值仿真,并通过开展相应的试验论证了模型的可靠性。同时,基于数值模型研究了平台中心角以及加载端部边界效应对花岗岩劈拉破坏的影响。研究表明,随着平台中心角的增大,花岗岩试件中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,中心角取20°~30°为宜;此外,端部摩擦效应随着平台中心角的增大而增大,当中心角小于30°时,端部摩擦影响较小,可忽略不计。     

不同含水率红砂岩静动态劈拉试验及细观分析

研究水-岩耦合作用下岩石力学特性及细观结构,对减少由地下水造成的深部岩体工程病害具有重要意义。采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,依靠SEM图像数字处理技术,进一步得出红砂岩拉伸破坏规律。试验结果表明:红砂岩的劈拉强度随含水率的增加而降低,有明显的遇水软化现象;相比于静态抗拉强度,动态抗拉强度大幅提升,且有显著的应变率强化效应;随着含水率的提高,砂岩试件拉伸破坏时,碎块数量逐渐增多,尺度逐渐减小;饱水岩样的动态劈裂拉伸破坏相比于干燥岩样表现出一定的塑性特征。对断口微裂隙的面积等信息进行定量化处理,分析动态劈拉破坏中的水-应变率效应,得出水在不同应变率下砂岩试样的动态劈拉破坏裂纹扩展中具有均衡作用;微裂隙数量与面积随应变率的提高有增加趋势,破坏断口细观形貌特征存在应变率相关性。     

圆盘厚径比对岩石劈裂抗拉强度影响的试验研究

 由于巴西圆盘抗拉强度公式是基于弹性力学平面问题的解析解,计算结果与直接拉伸试验得到的抗拉强度有较大的差异。基于此,对100余个不同厚径比的砂岩圆盘试样进行劈裂抗拉试验,试验结果表明,随着试样厚径比的减小,抗拉强度逐渐增大,当厚径比约小于0.3时,其抗拉强度逐渐增大并趋于一个相对稳定值,其变化曲线可用三次函数较好的拟合。为了更加完整地把握厚径比对抗拉强度的影响,特建立不同厚径比的三维有限元模型,对圆盘中心轴线上等效应力的分布规律进行详细的研究。研究结果表明,试样中轴线上的最大拉应力出现在试样端面的中心,而且试样的厚径比越大,圆盘的端面中点处拉应力相对越大,圆盘最先起裂的位置发生在端面中心点,而不是内部中心点,有限元计算的结果很好地解释了试验数据的分布规律;通过对有限元结果进行多元拟合,给出考虑厚径比的巴西圆盘抗拉强度修正公式,经验证修正公式具有较好的适用性。研究成果为岩石抗拉强度的正确测定提供有益的依据。     

砂岩黏性对抗拉强度加载率效应影响的试验研究

利用摆锤冲击加载SHPB试验装置,进行砂岩和人造岩心长杆冲击试验和动态巴西盘试验,测试砂岩和人造岩心的黏性系数,分析砂岩和人造岩心强度的加载率效应。利用试验和数值模拟相结合的方法得到绿砂岩、人造岩心A和B的黏性系数分别为100,10和5 k Pa·s。开展不同黏性岩石的动态巴西盘试验,测得砂岩和人造岩心试样的动态抗拉强度随着加载率的增大而增大,表现出一定的加载率相关性;证明了黏性对岩石强度加载率效应的影响,但两者并非正相关;在较小的加载速率下,岩石黏性导致试样中传播的应力波能量衰减,在巴西盘中心点起裂的裂纹沿加载直径方向扩展但是不足以使试样破坏成两半,从而验证了巴西盘裂纹起裂位置。     

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。     

小粒径再生粗骨料对预制混凝土力学性能影响的研究

研究5~10 mm小粒径再生粗骨料对预制混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的影响。结果表明,抗压强度随龄期延长而提高,且主要发生在前7 d,7 d抗压强度达到其28 d抗压强度的77%;劈裂抗拉强度随龄期的延长而提高,3 d劈裂抗拉强度达到其28 d强度的64%;弹性模量也随龄期的延长而提高,龄期为1、3、7和14 d时,弹性模量分别为其28 d弹性模量的32%、46%、62%和91%。通过与欧洲规范对比,基于试验结果,建议了劈裂抗拉强度和弹性模量的计算模型。研究结果更好的实现再生混凝土在小截面预制混凝土构件上的工程应用。     

Mechanical behavior of different sedimentary rocks in the Brazilian test

Mechanical behavior of the rock in tensile stress environment remains an unresolved problem in the underground mining, where surrounding rocks commonly experience tensile failure. In the present study, tensile failure behavior of three types of sedimentary rocks is investigated experimentally and numerically. The deformation response, fracture propagation, and splitting pattern as well as energy conversion of the rocks are examined in the Brazilian test with a testing machine, high-speed camera, and image scanning system. The tested rocks tend to show elastic-brittle-plastic deformation behavior in the biaxial stress state. Tensile strengths of the coal, mudstone, and sandstone are 1.2, 3.9, and 13.4 MPa, respectively. The coal and mudstone split in a static mode while the sandstone in dynamic mode. The splitting fracture initiates at the disk center in the coal and sandstone, and it emerges at the loading point in the mudstone. The fracture propagates more quickly in the rock with larger strength. It uses 1200.0, 5.8, and 0.4 ms, to break out sample surface of the coal, mudstone, and sandstone, respectively. The joint roughness coefficient (JRC) of the splitting fracture is largest (20.1) in the mudstone, followed by that in the coal (17.7), and it is smallest in the sandstone (15.3). A continuous-discontinuous coupling model, which is capable of analyzing the stress distribution and fracture propagation synergistically, is developed and calibrated against the experimental data. The numerical model accurately reproduces mechanical behavior of the tested rocks observed in the Brazilian test. The splitting fracture propagates along the maximum tensile stress plane in the sandstone. The propagation direction is locally influenced by the grain boundary with small tensile strength in the coal while, in the mudstone, the fracture is mainly formed along the grain boundary. Such differences in the fracture propagation path lead to the increasing trend from the JRC of the splitting surface in the sandstone to that in the coal and finally to that in the mudstone.

     

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。