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。     

含层理构造的非均质片麻岩巴西劈裂试验及离散单元法数值模拟研究

 为了研究岩石各向异性及非均质性对其破坏形式的影响,对含层理构造的非均质片麻岩进行了多组加载角度的巴西劈裂试验,获得不同层理方向片麻岩试件“抗拉强度”。其计算“抗拉强度”随着层理方向与加载方向夹角减小而迅速减小,当层理方向平行于加载方向时,计算“抗拉强度”可认为是片麻岩软弱层理面间的抗拉强度;当层理方向垂直于加载方向时,计算“抗拉强度”可认为是片麻岩岩石矿物基质的等效抗拉强度;当层理方向与加载方向夹角小于90°时,则属于拉–剪复合破坏形式,是片麻岩各向异性和非均质性共同作用的结果,此时对计算“抗拉强度”的应用需要特别谨慎。用UDEC程序建立离散单元数值模型,利用随机分布的条状块体集合,通过设置层理界面和矿物颗粒之间的接触参数,模拟层理构造对片麻岩破坏的影响。数值模拟与试验结果吻合较好,解释了劈裂破坏形式产生的机制,揭示岩石在荷载状态下的破裂过程是裂纹从萌生初期的无序分布,到受微观构造影响而有序集中的自组织过程。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究EI北大核心CSCD

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。     

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。     

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。     

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。     

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。     

循环荷载下层理岩石的弹性和衰减各向异性

对具有层理的砂岩进行单轴循环荷载实验，研究砂岩层理对其弹性模量和泊松比的影响。实验表明，垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比：衰减正好相反，垂直层理方向的衰减大于平行方向的衰减，而某个倾角层理的弹性模量在垂直层理和平行层理荷载的弹性模量之间，泊松比和衰减也是如此。从弹性系数的坐标变换出发，导出方向性模量和泊松比与岩石垂直层理、平行层理的弹性参数的关系，并用最小二乘法来进行拟合测量数据，以此关系来讨论层理砂岩弹性系数的各向异性程度。这种处理可减少计算得到的各向异性参数的误差，在泊松比计算误差较大的情况下也能得到比较理想的结果。计算表明，本实验砂岩泊松比的各向异性大于弹性模量的各向异性。     

大理岩动态劈裂试样的破坏应变

脆性材料基于应变的强度准则逐渐受到重视,为研究岩石在动态拉伸条件下的破坏应变规律,利用分离式Hopkinson压杆对不同尺寸的大理岩巴西圆盘和带平台的巴西圆盘进行宽应变率范围的动态劈裂试验。研究不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变,讨论试样尺寸、弹速、应变率对破坏应变的影响,得到了一些有益的结论:(1)大理岩的破坏应变随撞击压杆的弹速提高而增大,在一定的弹速范围内破坏应变增加趋势明显,而在此范围外破坏应变增幅很小;(2)试样尺寸对岩石的动态破坏应变的影响受弹速的影响比较显著;(3)在低应变率下,大理岩的动态破坏应变随着应变率的提高而显著增大,而带平台的试样的增加幅度更大,且数据的分散性也较小;当应变率较大时,应变率对破坏应变的影响较小,应变增幅较小,各类试样数据的分散程度都有所降低;(4)和巴西圆盘相比,在低应变率下平台巴西圆盘具有更大的承载力和更高的破坏应变,但是随着弹速的增加,平台巴西圆盘的趋势逐渐减少;当弹速大于某一数值时,其破坏应变反而小于巴西圆盘的破坏应变。     

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

祓岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理，且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞，这使得其力学!特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备，完成了2个锦屏Ⅱ级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验，得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理，从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展，直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程，解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理，推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。     

不同温度下砂岩三点弯曲破坏的特征参量研究

 基于三点弯曲试验研究不同温度影响后平顶山砂岩的特征参量,重点探讨热处理后砂岩破坏的弹性模量、损伤参量及延性比的变化。提出一种新的分析岩石材料性能的参数,即数值弹性模量,这大大方便通过试验方法来获取弹性模量。基于不同温度下弹性模量的变化及Lemaitre损伤理论,定义热损伤,并发现分段的四次多项式能较好拟合岩石等脆性材料热损伤与温度的关系,并由此把热损伤分为4个阶段,即不稳定热损伤阶段、初始热损伤阶段、稳定热损伤阶段和快速热损伤阶段。最后,借用混凝土结构工程的概念,采用延性比来判别热处理后砂岩的脆–延转变特性,该值大于2时砂岩开始具有延性性质。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨

 对取自一拟建核电站地基的细砂岩,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行低周循环荷载试验,研究循环荷载下细砂岩的纵横向变形特征,探讨循环荷载周次及动应力幅值对细砂岩动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响,及与其相互关系。结果表明,相同应力下纵向应变高于横向应变;低幅值应力下,随循环荷载周次增加,纵向应变增量高于横向应变增量,但高幅值应力下则相反;横向应变滞回环的卸载阶段应力–应变曲线与纵向应变滞回环的加载段和卸载段均表现出向下突出的变化特征,但横向应变滞回环的加载段则相反;随动应力幅值增加,细砂岩动弹性模量和动泊松比分别呈抛物线递增和线性递增,阻尼比和阻尼系数均按幂函数律递减,由第16周次动应力滞回环得到的阻尼参数可表征测试岩石的阻尼特征;阻尼比和阻尼系数均随循环荷载周次增加线性递增,对应低幅值动应力下的增量大于高幅值动应力下的增量。