間接測試巖石拉伸強度的圓環(huán)試樣自主實驗設計

1、間接測試巖石拉伸強度的圓環(huán)試樣自主實驗設計實驗目的 巴西實驗是廣泛用于測試巖石間接抗拉強度的方法，已被國際巖石力學與工程學會建議為測定巖石抗拉強度的標準方法。但是，在巴西盤試樣最開始使用的階段，人們發(fā)現(xiàn)在試樣與加載板附近會產(chǎn)生應力集中，導致試樣在該部位首先發(fā)生破裂，在這種情況下，試樣的破裂不再是由于試樣中部的拉應力造成的，從而導致了該巴西實驗的失效。 一些學者提出在巴西盤試樣中鉆一個孔，以保證該試樣的破裂由孔的周邊開始。根據(jù)這種思路，我設計圓環(huán)巖石試樣的巴西劈裂實際實驗，并用RFPA數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值試驗，驗證實際與理論的區(qū)別，并論證采用圓環(huán)試件測試巖石間接抗拉強度的可行性。 實驗原理 基于

2、彈性理論，得到內(nèi)孔周邊最大拉應力與施加的外部載荷P 之間的關系，并給出了根據(jù)外部載荷的峰值P max來計算抗拉強度的公式，即（1）式（1）中，P max為施加在試樣上的峰值載荷，R 和r分別為圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑，t為圓環(huán)的厚度，為用該方法測得的間接抗拉強度。儀器設備1、壓力機：要求能連續(xù)加荷沒有沖擊，噸位約100千牛頓（約10噸）；2、抗拉夾具和墊條3、測量平臺、卡尺、放大鏡等；4、制樣設備：鉆石機、切石機、磨石機；5、烘箱、干燥器6、水槽、煮沸設備或真空抽氣設備。試樣備制步驟（1）試樣可用鉆孔巖芯或巖塊，在取樣和試樣制備過程中，不允許人為裂隙出現(xiàn)。 （2）采用圓環(huán)形試件試樣，外徑R、內(nèi)徑r

3、根據(jù)具體情況而定，如R=100mm，r=20mm等。 （3）對于非均質的粗粒結構巖石，或取樣尺寸小于標準尺寸者，允許使用非標準試樣，但高徑比必需滿足標準試樣的要求。 （4）試樣個數(shù)視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下至少制備3個。 （5）試樣制備精度。整個厚度上，直徑最大誤差不應超過0.1mm。兩端不平行度不宜超過0.1mm。端面應垂直于試樣軸線，最大偏差不應超過0.25度。 圓環(huán)試樣巖石設計參數(shù)試樣尺寸： 120mm*120mm（此為外徑R）應力分析模式： 平面應力均質度： m=3圓形孔： 圓心在中央，半徑r分別為6mm，12mm，18mm，24mm，30mm，36mm 加載方式：

4、單軸壓縮加載方式： 豎向位移加載加載步： 10初始值： 0.01加載量： 每步0.01mm實驗內(nèi)容： 1、載荷位移曲線 2、實驗結果及分析 3、破壞模式 4、實驗結論試驗模型及加載 如圖1 所示，采用圓環(huán)試樣的外徑R為60 mm，內(nèi)徑為r，這里取r/R= 0. 1 ，0. 2 ，0. 3 ，0. 4 ，0. 5 ，0. 6 ，以研究內(nèi)孔尺寸對于試樣破裂模式及其強度測試值的影響。因此，需要做多組實驗。試驗程序（1）根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準備試樣。 （2）將試樣平置于壓力機承壓板中心，調整有球形座的承壓板使試樣均勻受載。通過試件直徑的兩端，沿軸線方向畫兩條互相平行的線作為加載基線，把試件放入夾具內(nèi)，

5、夾具上下刀刃對準加載基線，放入試驗機的上下承壓板之間，使試件的中心線和試驗機的中心線在一條直線上。（3）以每秒0.30.5MPa的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，并記錄最大破壞載荷。 （4）觀察試樣在受載過程中的破壞發(fā)展過程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。 實驗結果記錄試樣 編號試驗 狀態(tài)受力 方向試樣尺寸（mm）破壞荷載P（N）抗拉強度（MPa）高h 外徑R 外徑r 單 值 平均值整理記錄表格，格式如下表：抗拉強度試驗（圓環(huán)劈裂法）記錄表為了與本實驗測試巖石抗拉強度的可行性，我又用RFPA數(shù)值模擬軟件做了數(shù)值試驗，并對試驗結果及分析如下：（1 1 ）內(nèi)孔直徑對于試樣破裂模式的影響）內(nèi)孔直徑對于試樣破

6、裂模式的影響當r/R=0.1時環(huán)形試樣的破裂過程中，可得到位移載荷曲線如下圖：圖圖 1 做完實驗之后，得到了當r/R=0.1時環(huán)形試樣的載荷-位移曲線和不同載荷階段的破裂模式。小孔的存在引起了明顯的應力集中，當載荷達到試樣峰值載荷的40%（圖2中的A點），兩條裂紋分別從孔的上端和下端的孔周邊處萌生，同時向上和向下擴展到加載板的位置，并在此位置產(chǎn)生楔形裂紋，最終導致試樣破裂成兩半。在該過程中，裂紋存在明顯的穩(wěn)定擴展階段（即圖2 中的A 到B 階段）。如圖如圖2 2 當當r/R=0.1r/R=0.1時環(huán)形試樣的破裂過程（數(shù)值結果）時環(huán)形試樣的破裂過程（數(shù)值結果）A40%FmaxA40%Fmax；B

7、 B 100%Fmax100%Fmax；C C10%Fmax10%Fmax當r/R=0.4時環(huán)形試樣的破裂過程中，可得到位移載荷曲線如下圖： 當r/R=0.4時，一個裂紋首先在孔邊上部萌生（圖3中的A點），并不斷向上擴展。同時，在孔邊下沿也有裂紋萌生，在載荷位移曲線上出現(xiàn)了明顯的應力降低（圖3 中的C 點），直到這兩條裂紋垂直擴展到加載板位置。隨著外部位移的繼續(xù)施加，裂紋停止擴展，并使試樣所承受的載荷有所提高，達到了峰值（圖3中的D 點）。圖圖 3 圖圖 4 當當r/R=0. 4時環(huán)形試樣的破裂過程（數(shù)值結果）時環(huán)形試樣的破裂過程（數(shù)值結果）A 58%Fmax；B93% F max；C67%

8、F max；D100% F max；E60%F max；F 14 % F max 當外部位移繼續(xù)增加時，在x方向又萌生了一條拉裂紋，試樣的承載能力降低（圖3中的E點）。此后，隨著上部位移的增加，在試樣左邊也萌生一條裂紋（圖3中的F點）。最后，圓環(huán)試樣沿著x和y方向劈裂成4塊。數(shù)值試驗得到的破裂模式與實驗結果（圖4）具有較好的一致性。 對于小孔試樣（r/R=0.1）而言，在達到峰值之前載荷- 位移曲線的非線性不明顯，待達到峰值載荷后，試樣即發(fā)生失穩(wěn)破裂。 對于大孔試樣（r /R=0 .4）而言，對應于不同的裂紋擴展階段，載荷位移曲線上有明顯的多個極值和多次失穩(wěn)，試樣的逐步破裂是由于多個裂紋依次擴

9、展引起的。內(nèi)孔直徑對于試樣破裂模式的影響內(nèi)孔直徑對于試樣破裂模式的影響（2 ）內(nèi)孔直徑對于試樣強度的影響 把以上數(shù)值試驗中得到的峰值載荷用Rt（ t=1 mm）進行標準化，可得到圖5。從圖5可以看出，數(shù)值試驗計算的峰值載荷在數(shù)值上與實驗結果非常接近。實驗結果分析 從理論上講，上式中之所以用試樣的峰值載荷來計算巖石的抗拉強度是假設圓環(huán)試樣的承載能力達到峰值時，內(nèi)環(huán)周邊的最大拉應力達到了巖石的抗拉強度。但是，當圓環(huán)內(nèi)周邊的應力達到巖石的抗拉強度后，立即有拉裂紋的萌生，而此時試樣的承載力往往并沒有達到峰值，而是隨著裂紋的穩(wěn)定擴展而繼續(xù)升高。因此，圓環(huán)內(nèi)周邊裂紋的萌生并不意味著試樣承載能力的喪失，這就

10、可以解釋為什么通過上述公式用峰值載荷計算的間接抗拉強度高于巖石的單軸抗拉強度。因此，可以認為用峰值載荷計算的間接抗拉強度是不合理的。 實際上，可以認為圓環(huán)試樣內(nèi)孔周邊的裂紋萌生和擴展與該處所受的拉應力直接相關，因此，可以通過裂紋萌生時圓環(huán)試樣所承受的載荷（稱之為開裂載荷）來計算該巖石的間接抗拉強度。 從理論上講，通過這種方法計算出的巖石間接抗拉強度更為合理。如果能通過有效的實驗手段（例如通過聲發(fā)射等）獲得圓環(huán)試樣的開裂載荷，圓環(huán)試樣勢必是測試巖石間接抗拉強度的一種有效方法，尤其是圓環(huán)內(nèi)徑較大（例如r /R =0. 4 ，0. 5 和0. 6 ）時更是如此。實驗結論實驗結論（1）圓環(huán)的內(nèi)孔直徑較小時，其載荷位移曲線在峰值前的非線性不明顯，達到峰值后發(fā)生脆性破裂，從破裂模式上看，試樣最終破裂成兩半；當內(nèi)孔直徑較大時，載荷位移曲