间接测试岩石拉伸强度的圆环试样自主实验设计

1、间接测试岩石拉伸强度的圆环试样自主实验设计实验目的 巴西实验是广泛用于测试岩石间接抗拉强度的方法，已被国际岩石力学与工程学会建议为测定岩石抗拉强度的标准方法。但是，在巴西盘试样最开始使用的阶段，人们发现在试样与加载板附近会产生应力集中，导致试样在该部位首先发生破裂，在这种情况下，试样的破裂不再是由于试样中部的拉应力造成的，从而导致了该巴西实验的失效。 一些学者提出在巴西盘试样中钻一个孔，以保证该试样的破裂由孔的周边开始。根据这种思路，我设计圆环岩石试样的巴西劈裂实际实验，并用RFPA数值模拟软件进行数值试验，验证实际与理论的区别，并论证采用圆环试件测试岩石间接抗拉强度的可行性。 实验原理 基于

2、弹性理论，得到内孔周边最大拉应力与施加的外部载荷P 之间的关系，并给出了根据外部载荷的峰值P max来计算抗拉强度的公式，即（1）式（1）中，P max为施加在试样上的峰值载荷，R 和r分别为圆环的外半径和内半径，t为圆环的厚度，为用该方法测得的间接抗拉强度。仪器设备1、压力机：要求能连续加荷没有冲击，吨位约100千牛顿（约10吨）；2、抗拉夹具和垫条3、测量平台、卡尺、放大镜等；4、制样设备：钻石机、切石机、磨石机；5、烘箱、干燥器6、水槽、煮沸设备或真空抽气设备。试样备制步骤（1）试样可用钻孔岩芯或岩块，在取样和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。 （2）采用圆环形试件试样，外径R、内径r

3、根据具体情况而定，如R=100mm，r=20mm等。 （3）对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许使用非标准试样，但高径比必需满足标准试样的要求。 （4）试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下至少制备3个。 （5）试样制备精度。整个厚度上，直径最大误差不应超过0.1mm。两端不平行度不宜超过0.1mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过0.25度。 圆环试样岩石设计参数试样尺寸： 120mm*120mm（此为外径R）应力分析模式： 平面应力均质度： m=3圆形孔： 圆心在中央，半径r分别为6mm，12mm，18mm，24mm，30mm，36mm 加载方式：

4、单轴压缩加载方式： 竖向位移加载加载步： 10初始值： 0.01加载量： 每步0.01mm实验内容： 1、载荷位移曲线 2、实验结果及分析 3、破坏模式 4、实验结论试验模型及加载 如图1 所示，采用圆环试样的外径R为60 mm，内径为r，这里取r/R= 0. 1 ，0. 2 ，0. 3 ，0. 4 ，0. 5 ，0. 6 ，以研究内孔尺寸对于试样破裂模式及其强度测试值的影响。因此，需要做多组实验。试验程序（1）根据所要求的试样状态准备试样。 （2）将试样平置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板使试样均匀受载。通过试件直径的两端，沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线，把试件放入夹具内，

5、夹具上下刀刃对准加载基线，放入试验机的上下承压板之间，使试件的中心线和试验机的中心线在一条直线上。（3）以每秒0.30.5MPa的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷。 （4）观察试样在受载过程中的破坏发展过程，并记录试样的破坏形态。 实验结果记录试样 编号试验 状态受力 方向试样尺寸（mm）破坏荷载P（N）抗拉强度（MPa）高h 外径R 外径r 单 值 平均值整理记录表格，格式如下表：抗拉强度试验（圆环劈裂法）记录表为了与本实验测试岩石抗拉强度的可行性，我又用RFPA数值模拟软件做了数值试验，并对试验结果及分析如下：（1 1 ）内孔直径对于试样破裂模式的影响）内孔直径对于试样破

6、裂模式的影响当r/R=0.1时环形试样的破裂过程中，可得到位移载荷曲线如下图：图图 1 做完实验之后，得到了当r/R=0.1时环形试样的载荷-位移曲线和不同载荷阶段的破裂模式。小孔的存在引起了明显的应力集中，当载荷达到试样峰值载荷的40%（图2中的A点），两条裂纹分别从孔的上端和下端的孔周边处萌生，同时向上和向下扩展到加载板的位置，并在此位置产生楔形裂纹，最终导致试样破裂成两半。在该过程中，裂纹存在明显的稳定扩展阶段（即图2 中的A 到B 阶段）。如图如图2 2 当当r/R=0.1r/R=0.1时环形试样的破裂过程（数值结果）时环形试样的破裂过程（数值结果）A40%FmaxA40%Fmax；B

7、 B 100%Fmax100%Fmax；C C10%Fmax10%Fmax当r/R=0.4时环形试样的破裂过程中，可得到位移载荷曲线如下图： 当r/R=0.4时，一个裂纹首先在孔边上部萌生（图3中的A点），并不断向上扩展。同时，在孔边下沿也有裂纹萌生，在载荷位移曲线上出现了明显的应力降低（图3 中的C 点），直到这两条裂纹垂直扩展到加载板位置。随着外部位移的继续施加，裂纹停止扩展，并使试样所承受的载荷有所提高，达到了峰值（图3中的D 点）。图图 3 图图 4 当当r/R=0. 4时环形试样的破裂过程（数值结果）时环形试样的破裂过程（数值结果）A 58%Fmax；B93% F max；C67%

8、F max；D100% F max；E60%F max；F 14 % F max 当外部位移继续增加时，在x方向又萌生了一条拉裂纹，试样的承载能力降低（图3中的E点）。此后，随着上部位移的增加，在试样左边也萌生一条裂纹（图3中的F点）。最后，圆环试样沿着x和y方向劈裂成4块。数值试验得到的破裂模式与实验结果（图4）具有较好的一致性。 对于小孔试样（r/R=0.1）而言，在达到峰值之前载荷- 位移曲线的非线性不明显，待达到峰值载荷后，试样即发生失稳破裂。 对于大孔试样（r /R=0 .4）而言，对应于不同的裂纹扩展阶段，载荷位移曲线上有明显的多个极值和多次失稳，试样的逐步破裂是由于多个裂纹依次扩

9、展引起的。内孔直径对于试样破裂模式的影响内孔直径对于试样破裂模式的影响（2 ）内孔直径对于试样强度的影响 把以上数值试验中得到的峰值载荷用Rt（ t=1 mm）进行标准化，可得到图5。从图5可以看出，数值试验计算的峰值载荷在数值上与实验结果非常接近。实验结果分析 从理论上讲，上式中之所以用试样的峰值载荷来计算岩石的抗拉强度是假设圆环试样的承载能力达到峰值时，内环周边的最大拉应力达到了岩石的抗拉强度。但是，当圆环内周边的应力达到岩石的抗拉强度后，立即有拉裂纹的萌生，而此时试样的承载力往往并没有达到峰值，而是随着裂纹的稳定扩展而继续升高。因此，圆环内周边裂纹的萌生并不意味着试样承载能力的丧失，这就

10、可以解释为什么通过上述公式用峰值载荷计算的间接抗拉强度高于岩石的单轴抗拉强度。因此，可以认为用峰值载荷计算的间接抗拉强度是不合理的。 实际上，可以认为圆环试样内孔周边的裂纹萌生和扩展与该处所受的拉应力直接相关，因此，可以通过裂纹萌生时圆环试样所承受的载荷（称之为开裂载荷）来计算该岩石的间接抗拉强度。 从理论上讲，通过这种方法计算出的岩石间接抗拉强度更为合理。如果能通过有效的实验手段（例如通过声发射等）获得圆环试样的开裂载荷，圆环试样势必是测试岩石间接抗拉强度的一种有效方法，尤其是圆环内径较大（例如r /R =0. 4 ，0. 5 和0. 6 ）时更是如此。实验结论实验结论（1）圆环的内孔直径较小时，其载荷位移曲线在峰值前的非线性不明显，达到峰值后发生脆性破裂，从破裂模式上看，试样最终破裂成两半；当内孔直径较大时，载荷位移曲