圆盘试样的巴西劈裂试验
发布网友
发布时间：2022-07-15 18:43
共1个回答
热心网友
时间：2024-11-20 13:22
圆盘试样对径受压的劈裂试验（图8-1），亦称巴西试验（Brazilian test），是典型的确定岩石抗拉强度的间接方法，也是岩石力学试验规程推荐的抗拉强度测试方法［11，12］。
图8-1 圆盘试样受集中载荷的劈裂试验
圆盘试样受集中载荷P，内部应力作为平面应力的弹性解是存在的［13］，在载荷作用的直径上，
岩石的力学性质
岩石的力学性质
图8-1b给出了具体计算结果。这里以及后面的有限元计算均以拉应力为正，但有关试验结果仍以压应力为正。基于岩石抗拉强度远低于抗压强度的认识，利用刚性细圆柱压条对圆盘试样加载，使之沿直径方向劈裂。利用其破坏过程中的最大载荷由公式（8.1）计算岩石的抗拉强度。不过压条与试样接触处的压应力极高，引起该处岩石的屈服碎裂。即试样不是由中心起始的张拉破裂，与试验原理不符。当然，利用平面或圆弧压板代替圆柱压条，可以改善加载处的应力状态，不过试样产生局部的塑性变形仍是不可避免的。
需要特别强调的是，巴西劈裂试验测定岩石的抗拉强度与一般测试方法有着本质的不同。三点弯曲、水压致裂以及Griffith准则等，都是假设试样断裂时的载荷标志着承载能力最弱的局部达到承载极限。而圆盘试样对径受压时，直径上各点垂直于载荷方向的拉应力相同，而载荷作用方向的压应力以圆盘中心为最小（图8-1）；而理论分析和试验结果都表明，岩石在压拉应力作用下，其抗拉强度随压应力增加而降低。这就是说，圆盘中心点是最不容易破坏的，因而巴西劈裂强度可能低于岩石实际的抗拉强度。文献［1］指出，对压拉强度比较低的材料，由于试样并不从中心破裂，巴西劈裂强度会偏低。
文献［14］利用刚性伺服试验机进行巴西劈裂试验以避免试样的突然破坏。试验结果表明，圆盘试样首先在接触点因压应力集中而破坏，即使载荷在10°区域内分布加载也是如此，巴西试验不能作为确定岩石抗拉强度的试验方法；进而认为由于不同试验方法确定的岩石抗拉强度不同，因而不能认为“抗拉强度”是一个“岩石力学性质”的参数。文献［14］建议：If the tensile strength is required for some engineering or experimental purpose，the authors recommend that it should be measured with the same specimen geometry and loading conditions for which it is required.The value of the maximum stress may not be relevant because it is not the direct cause of failure.The value may have been miscalculated because of a disparity between failure initiation and total structural collapse or because linear elasticity theory was used.The value indicates，however，in terms of the apparent maximum tensile stress when failure will occur again in the same situation.If the test specimen must be on a reced scale，all dimensions should be equally reced and an estimate of the volume effect obtained.
不过，文献［15］基于hoop拉伸试验和直接拉伸试验结果的比较，认为拉伸强度是一个很好的材料参数。hoop 拉伸试验是在环状式样的内部放置两个半圆压板，千斤顶对这两个压板施加压缩，从而对试样产生拉伸。利用破裂载荷除以破断面积作为岩石的拉伸强度。
另一个需要注意的问题是，在弹性力学的平面问题中，应力分布与材料的变形参数无关。但是，巴西劈裂试验中圆盘内部存在压拉应力两种状态，而岩石在拉伸、压缩状态下的变形特性并不完全相同，所得到的抗拉强度是一个偏大的估计。文献［16］利用有限元进行的平面弹性力学分析表明，巴西劈裂强度需要依据拉伸弹性模量ET和压缩弹性模量EC的比值进行修正；而泊松比系数的影响较小，可以忽略。数值计算时，依据ISRM建议方式在中心角15°分布加载。在ET和EC的比值为0.1、0.25、0.5时，修正系数分别为0.60、0.76和0.89。笔者根据文献［16］中的图表数据，得到下面的修正公式：
岩石的力学性质
圆盘的对径压缩方法主要有3种（图8-2），也有用刃状压头代替刚性细圆柱的。由于在劈裂过程中岩石和压头都会产生变形，且岩石的刚度各不相同，因而加载接触处的曲率半径的差异直接影响接触应力和岩石的劈裂强度。分别叙述如下。
8.1.1 刚性细圆柱压裂
利用刚性细圆柱压裂圆盘试样，间接测定岩石的抗拉强度是规程推荐的标准试验方法。图8-3是一组钾质花岗岩的试验曲线，使用直径为3mm的钢丝劈裂，都是沿中心线破裂，尽管破裂线未必平直。又规程［12］要求钢丝直径为1mm，在实际操作时略有困难。图8-3中的载荷与位移的关系主要体现了岩石硬度及与钢丝的接触状态。在载荷较大时也显示了明显的非线性特征，相应于钢丝逐步压碎岩石的过程。
图8-2 圆盘试样巴西劈裂的3种方式
在利用钢丝劈裂时，两根钢丝能否与试样侧面很好地线接触，对试验结果影响巨大。文献［2］给出了113个花岗岩试样劈裂强度的离散性，不仅包含了岩石材料的差异，也包含了试验过程的误差。对图8-3中花岗岩共进行14个试样的劈裂试验，强度较低的5个试验结果为同一人操作所得。
图8-3 花岗岩试样巴西劈裂压缩变形与载荷的关系
大理岩硬度较低，钢丝有时会切入岩石，试验机因变形的突然增大而卸载，但试样没有整体劈裂破坏。出现这样的情况多是钢丝沿长度方向作用不均匀，或因试样侧面加工质量较差，或劈裂装置与试验机加载油缸之间的位置偏差。通常都是将试样旋转90°再进行一次试验。对大理岩9个试样的试验，3个试样初次劈裂强度分别为0.52MPa、0.65MPa和1.35MPa，没有发生破裂；旋转90°再次劈裂的强度分别为3.35MPa、2.64MPa和2.16MPa。另有2个试样劈裂强度各为0.84MPa和1.06MPa，因试样没有沿轴线破裂，作为无效数据。有效的强度数据共有7个，其中一个为1.35MPa，明显偏低。
图8-4是上述花岗岩和大理岩的所有强度数据。
8.1.2 平板压裂
对于软弱岩石通常利用平板代替钢丝进行劈裂，以避免钢丝直接切入岩石。对于花岗岩这样的硬脆岩石也完全可以利用平板进行劈裂，并具有更好的操作性。两种方式得到的强度已在图8-4中给出。由于减少了试验环节，平板劈裂的离散性显著减小。不过，对于花岗岩而言，平板劈裂时试样不是从中间分成两块，而是中间破裂成不规则的多个小块。
图8-4 花岗岩和大理岩不同劈裂方式的强度
8.1.3 圆弧压头压裂
利用圆弧形压头对圆盘试样进行压裂，固然可以改善加载局部的应力状态，但试样在整体破裂之前，与加载压头的接触部位仍会产生较大的塑性变形，圆盘不再承受集中载荷，且内部应力分布复杂。文献［6］的试验结果表明，圆弧压头加载测得的抗拉强度最大，其次是平板压裂的方式，钢丝垫条压裂的强度最小。其中，砂质泥岩圆弧压裂测得的抗拉强度是平板压裂的1.06倍，是钢丝垫条压裂的2.07倍；中砂岩圆弧压裂的抗拉强度是平板压裂的1.28倍，是钢丝垫条压裂的1.86倍。文献［7］的试验结果与此相同。圆弧压裂得到的岩石抗拉强度与压条压裂的强度之比在1.47～2.29，差别显著。
