巴西劈裂实验实验方案
冬瓜山铜矿深部硬岩SHPB动态巴西劈裂试验_刘涛
构 方 程 可 取 相 同 的 形 式 ，并 且 通 过 研 究 发 现 ，岩 石 在
动 态 冲 击 下 ，其 破 坏 方 式 与 静 态 巴 西 劈 裂 试 验 一 致 ，
因此，可假设岩石在 动 态 劈 裂 状 态 下 其 本 构 关 系 方
程为：
Ｐ１（ｔ）＝ ＡＥ（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））
（３）
Ｐ２（ｔ）＝ Ａεｔ（ｔ）
（４）
式中：Ｅ 表示入射杆与透射杆的弹性模量；Ａ 为
压杆横截面面积。
假设岩石试样在破坏时其两端已经达到应力平
衡，即 Ｐ１（ｔ）＝ Ｐ２（ｔ），那么试样的动态抗拉强度 可
表示为：
σｔ
＝
Ｐ１ ＋Ｐ２ πｄｔ
＝
ＥＤ２ ２ｄｔ
（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））＝Ｅ２拉强度一般为其抗压强度的１／６～１／１０。 在土木、岩土、采矿 等 大 量 的 现 场 监 测 分 析 中 发 现， 岩石的破坏通常为 拉 伸 破 坏，并 且 通 常 是 在 机 械 振 动、凿岩爆破、开挖 等 动 力 扰 动 作 用 下 发 生 破 坏，或 是破坏加剧［１］，可见，这种破坏与岩石在静力作 用 下 的拉伸破坏不同。 传 统 的 测 试 岩 石 抗 拉 强 度，很 容 易想到巴西劈裂试 验，巴 西 劈 裂 试 验 是 间 接 测 试 抗 拉强度的一 种 方 法，这 种 方 法 基 于 Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 破 坏 强
岩石单轴压缩、拉伸、巴西劈裂数值实验模拟
2.1 软件的基本原理
RFPA 是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的 Coulomb 破坏准则为介质变形和破坏分析模块的真实破裂过程分析系统。 其基本 思路是： 1）材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，材料介质在细观上 是各向同性的弹-脆性或脆-塑性介质； 2）假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（如 weibull 分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系； 3）按弹性力学中的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应 变状态。RFPA 利用线弹性有限元方法作为应力求解器； 4）引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元的相变临界点 用修正的 Coulomb 准则； 5）基元的力学性质随演化的发展是不可逆的； 6）基元相变前后均为线弹性体； 7）材料介质的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力 的影响。
2.2 软件的网格划分
RFPA 选取等面积四节点的四边形单元剖分计算对象。为了使问题的解答足 够精确，RFPA 方法要求模型中的单元足够小（相对于宏观介质），以能足够精
确的地反映介质的非均匀性。但它又必需足够大（包含一定数量的矿物和胶结物 颗粒，以及微裂隙、孔洞等细小缺陷），因为作为子系统的单元实际上仍是一个 自由度很大的系统，它具有远大于微观尺度的细观尺度。这以要求正是为了保证 使剖分后的单元性质尽量接近基元性质。尽管这样会增加计算量，但是问题的处 理变得简单， 而且随着计算机技术的高速发展， 计算机瓶颈的影响将会逐渐消除。 由于模型中的基元数量足够多，宏观的力学行为，本质上是介质大量基元力学行 为的集体效应。
（a）step42-01
（b）step52-02
（c）step70-06
图 3、RFPA 模拟单轴拉伸条件下的破坏过程、最大主应力场、声发射累计分布图
固井水泥石巴西劈裂强度尺寸效应试验
[收稿日期]20181226 [基金项目]国家重大科技专项(2016Z X 05006-006)㊂ [作者简介]温曹轩(1997),男,硕士生,现主要从事油气地下储备与地质工程方面的研究工作;通信作者:贾善坡,j i a s h a n p o r s m@163.c o m ㊂[引著格式]温曹轩,陈美杰,吴羿君,等.固井水泥石巴西劈裂强度尺寸效应试验[J ].长江大学学报(自然科学版),2019,16(7):95~99.固井水泥石巴西劈裂强度尺寸效应试验温曹轩,陈美杰,吴羿君潘博翔,杨婷娟,高源 长江大学城市建设学院,湖北荆州434023() 贾善坡 (长江大学城市建设学院,长江大学岩土力学与工程研究中心,湖北荆州434023)[摘要]目前,在油气井工程中经常遇到管道破裂㊁密封性受损导致的油气泄漏等问题,而水泥环向受力破坏是油气井筒完整性失效的主要原因㊂抗拉强度作为评价水泥环完整性的重要力学参数,抗拉强度试验值大小与诸多因素有关,其中尺寸效应是重要影响因素之一㊂为探究水泥石巴西劈裂强度的尺寸效应,选取5组直径不同㊁厚径比为1ʒ2的水泥石,在相同的条件下分别进行巴西劈裂强度试验研究,绘出应力与应变的变化曲线并进行比较㊂试验结果表明,在25~60mm 的直径范围内,水泥石的抗拉强度随着试样直径的增大逐渐减小,具有较为明显的尺寸效应;试样的直径增大到60mm 后,水泥石抗拉强度趋于稳定,水泥石抗拉强度的尺寸效应不再明显㊂[关键词]水泥石;抗拉强度;巴西劈裂强度;尺寸效应[中图分类号]T U 452[文献标志码]A [文章编号]16731409(2019)07009505水泥属于水硬性胶凝材料,因其硬化后具有良好的力学性能而被广泛地使用于油气固井工程中㊂水泥环在地层中的封隔性能对油气生产安全及油气井寿命具有重要意义,随着油气勘探开发工作的深入,以及页岩气㊁C O 2封存㊁储气库等工程的开展,地下井筒受力条件十分复杂,更容易引起水泥环破坏,其中水泥环的拉伸破坏是重要的破坏要素之一㊂因此,研究水泥石的拉伸力学性质,对于评价和分析水泥环的承载能力及井筒的完整性有着重大意义㊂试验研究结果表明,岩石的巴西劈裂强度具有较强的尺寸效应[1],有很多学者从不同的方面研究了岩石巴西劈裂强度尺寸效应的影响因素㊂张明等[2]运用数值模拟的方法,研究发现,在不同的加载条件下,岩石强度具有尺寸效应㊂吕兆兴等[3]采用非均质数值试验的方法,研究发现岩石强度的尺寸效应影响参数随非均质参数的增大呈现出先增大后减小的趋势㊂雷继辕[4]利用不同尺寸的岩样进行巴西劈裂试验,发现加载速率越快,岩样的尺寸效应越明显㊂梁正召等[5]通过建立岩体尺度的随机概率模型,研究发现,随着围压的增大,试样的尺寸效应越不明显㊂尹乾等[6]针对岩石的抗拉强度与几何尺寸相关性方面展开研究,利用有限差分方法分析不同厚径比圆盘试样抗拉强度变化规律,研究发现,厚径比越大的圆盘岩石试样,劈裂抗拉强度越小㊂严妍等[7]在常规三轴条件下对岩石强度的尺寸效应展开研究,发现岩样的不均匀程度越大,强度尺寸效应越显著㊂A y a t o l l a h i 等[8]进行了不同直径中心直切槽圆盘试样巴西劈裂试验,得出较大试样的表面断裂韧性有所提高㊂Y a n g 等[9]选用5种高宽比不同的岩石试样进行数值研究,得出试样的强度随尺寸的增大而减小的变化关系㊂张海东[10]利用不同尺寸的混凝土试件进行巴西劈裂试验,确定了圆柱形混凝土试件在高径比为0.5或1时可通过巴西劈裂试验得到其抗拉强度㊂J i n 等[11]通过计算混凝土试件在不同荷载条件下的极限强度得出试样的尺寸㊁长度对极限强度的影响是显著的㊂W e i b u l l 经典统计尺寸效应理论中提到,大型结构存在低强度的小单元是产生尺寸效应的根本原因㊂水泥石作为一种脆性胶凝材料,在形成的过程中其内部会随机产生裂纹,满足尺寸效应产生㊃59㊃长江大学学报(自然科学版) 2019年第16卷第7期J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (Na t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 2019,V o l .16N o .7的条件[12]㊂抗拉强度作为反映水泥环力学性能的重要指标,设计施工的一个重要参数,国内外在这方面的研究甚少㊂类比于岩石,笔者针对固井水泥石的抗拉强度与尺寸的对应关系展开研究,选取同一批次的水泥石,制成5组尺寸不同㊁厚径比相同的试样进行巴西劈裂强度试验,明确水泥石的抗拉强度与试样尺寸的对应关系,以便于固井水泥石在工程设计中的运用㊂1 水泥石巴西劈裂强度试验1.1 试验条件试验所采用的原料是葛洲坝石门特种水泥有限公司生产的高抗硫酸盐型G 级油气固井水泥,按照水灰比为0.44搅拌至均匀,用塑料模进行封装定模,在室内自然条件下浇水养护3d㊂选取完整性良好,无明显裂隙的试块,用岩芯钻取机和岩石切割机制成厚径比为1ʒ2,直径为25㊁38㊁49㊁57㊁70mm 的5组试样,每组选取6个,共计30个试样㊂图1 微机伺服控制液压万能试验机1.2 试验方案水泥石巴西劈裂强度试验采用的设备是微机伺服控制液压万能试验机,如图1所示㊂加载方式为位移控制法,因为水泥石属于脆性材料,抗拉强度小,为保证试验精度,加载速率统一取为0.003mm /s ㊂用该系统分别对5组试样进行巴西劈裂强度对比试验,同时用计算机记录㊁采集试样所承受的荷载数据㊂2 试验结果分析2.1 应力-应变曲线特征分析开展了5种不同尺寸的试样进行巴西劈裂强度对比试验,每组选取6个标准试样,绘制出应力应变曲线,如图2所示㊂在圆盘试样厚径比为1ʒ2情况下,水泥石在70㊁57㊁49㊁38㊁25mm 等5种不同直径下的巴西劈裂应力峰值随试样尺寸的减小而增大㊂相同尺寸的同组试样应力峰值相对集中,但不同试样的最大应变较为分散,这造成同组试样的巴西劈裂强度差异较为明显,且应力越大的试样所对应的应变也越大㊂同组试样的应力应变曲线也表现出相似的特征,应力应变曲线趋势如图3所示㊂由图3可知,可以将试样的应力应变曲线大致分为4个阶段:O A 段,水泥石试样与上下压头接触部位出现应力集中的现象,应力应变曲线接近于线性,水泥石尚无裂纹扩展;A B 段,荷载与变形开始偏离线性,曲线的斜率减小并出现上凸,该阶段应力在试样内部传递;B C 段,应力应变曲线的曲率再次开始增大,在这阶段裂纹从中间沿竖直方向开始扩展;C D 段,曲线的曲率开始减小,持续一段时间后斜率突变为负,此时试样完全破坏,试验结束;在这一阶段中,水泥石的的纵向裂纹逐渐扩展到圆盘试样的两端,在不断的加载过程中,裂纹连通乃至贯穿,最终导致了水泥石的劈裂破坏㊂需要说明的是,在试验过程中对试样的加载方式进行严格的控制,仍有个别试样裂纹偏离圆盘的中心线,裂纹面也不平直㊂考虑到水泥石本身是一种非均质材料,在制作加工的过程中,其内部结构会随机产生裂隙㊁裂纹㊁孔洞等缺陷,这使得部分试样在进行巴西劈裂试验过程中出现裂纹不规则㊁强度试验值的离散性偏大的现象㊂2.2 破坏形态分析选取破坏形态典型的试样,观察水泥石在巴西劈裂试验中裂纹的扩展形式㊂在加载前,使试样与垫条紧密接触,且没有应力作用,利用微机控制位移变量的方法开始加载㊂在加载过程中,试样的圆盘中心首先开始出现细小竖直裂纹,随着加载的进行,裂纹开始向试样与垫条的接触面方向扩展,此时圆盘㊃69㊃ 长江大学学报(自然科学版)2019年7月试样中心的裂纹较为明显㊂在上部集中荷载持续作用下,圆盘试样中心出现明显的竖直裂纹,随着加载的进行,竖直裂纹逐步延伸到试样的两端直至贯通,试样破坏,停止试验㊂试验后的圆盘试样中心出现一条贯通的竖直裂纹,试样裂纹的发展类似于岩石圆盘劈裂试验的裂纹扩展[13]㊂图2 不同直径的水泥石巴西劈裂应力-应变试验曲线通过观察试样破坏后的裂纹分布形式,绝大多数试样的破坏面都垂直于垫条与试样的接触面㊂在试验中发现试样的破坏均从圆盘中间开始,裂纹面相对平直,这与岩石的巴西劈裂试验破坏形态相似,选取25㊁38㊁49㊁57㊁70mm 等5种不同直径的试样典型破坏形态如图4所示㊂㊃79㊃第16卷第7期温曹轩等:固井水泥石巴西劈裂强度尺寸效应试验图3 应力-应变曲线趋势图另外,在试验过程中发现,个别圆盘试样在加载过程中其受压区分布有细密的裂纹,且这些裂纹发展较早,基本在圆盘表面中心出现裂纹时产生㊂加载过程中这些裂纹逐渐延伸扩展,与试样的破坏面交叉或在圆盘中心轴线附近,出现多条近乎平行的裂纹㊂进一步研究发现,这部分圆盘试样边界随机分布有孔隙和先天裂纹等缺陷,加载时导致试样裂纹扩展㊂加载时垫条与试样的接触面出现应力集中的现象,圆盘在与垫条的接触区域会有细密裂纹产生[14]㊂2.3 水泥石抗拉强度尺寸效应分析通过微机伺服控制液压万能试验机系统所记录的试验值,计算出试样巴西劈裂强度,巴西劈裂强度与尺寸的对应关系如表1所示㊂图4 部分典型试样破坏形态表1 不同直径水泥石对应的试验数据组号试样/个直径/mm 密度/(g ㊃c m -3)强度最小值/M P a 强度最大值/M P a 强度平均值/M P a 最大离散值/%16702.0243.7894.2423.9527.326572.0113.9175.0664.7267.236501.9864.0935.4874.64318.246381.9736.2957.4986.8289.856251.95511.50713.98712.7529.7 注:最大离散值=[(强度最大值-强度平均值)/强度平均值]ˑ100%㊂在表1中,每组试样试验强度的最大离散值都小于20%,试样的抗拉强度试验值较集中,试样的平均强度值随尺寸的增大而减小,为了使试样的巴西劈裂强度与尺寸的对应关系更为明显,绘制出抗拉强度与试样尺寸的散点图及拟合曲线,如图5所示㊂从图5可以看出,25~60mm 的直径范围内,水泥石的抗拉强度随着直径的增大而减小,具有明显的尺寸效应;在试样直径大于60mm 时,试样的抗拉强度趋于稳定,试样的尺寸效应不明显㊂2.4 与岩石尺寸效应的对比当前各类岩石在劈裂过程中大致可分为压密阶段弹性变形阶段塑性变形阶段等3个阶段,不同岩性的岩石在这3个阶段表现出不同的形式[15],固井水泥石在劈裂过程中也具有与岩石劈裂的3个类似的阶段㊂在抗拉强度与尺寸效应的方面,水泥石类似于砂岩[16]㊂在厚径比一定时,砂岩的抗拉强度与直径拟合曲线如图6所示㊂由图5和图6对比可知,水泥石劈裂强度与砂岩具有近似的变化规律,强度均随着尺寸的增大而减小,尺寸效应明显;当荷载达到峰值时,试样会突然破坏且残余强度很快消失㊂㊃89㊃ 长江大学学报(自然科学版)2019年7月图5 水泥石抗拉强度-直径拟合曲线 图6 砂岩抗拉强度-直径拟合曲线3 结论1)在巴西劈裂试验中,水泥石的破坏形式表现为脆性破坏,破坏过程大致可分为压密阶段弹性变形阶段塑性变形阶段等3个阶段㊂在应力到达峰值强度后试样破坏,残余强度迅速消失,试样在集中力的作用下被劈裂成2个部分㊂裂纹面平直且基本通过圆盘中心,厚径比1ʒ2下不同尺寸的水泥石破坏面基本相同㊂2)在厚径比1ʒ2时,同一尺寸大小的试样抗拉强度大小具有一定的离散性,但均在18.2%以内㊂经过分析发现主要原因是由于水泥石在水化硬化的过程中内部会随机分布有孔隙㊁裂纹,在水泥石的浇筑过程中振捣不够充分均匀导致内部残留气泡等因素造成了试验结果的离散性㊂3)在控制试样厚径比为1ʒ2时,25~60mm 的直径范围内,水泥石的抗拉强度随着直径的增大而减小,具有明显的尺寸效应;在直径为60m m 后趋于稳定,此时水泥石的抗拉强度的尺寸效应不再明显㊂[参考文献][1]邓华峰,李建林,朱敏,等.圆盘厚径比对岩石劈裂抗拉强度影响的试验研究[J ].岩石力学与工程学报,2012,31(4):792~798.[2]张明,卢裕杰,介玉新,等.不同加载条件下岩石强度尺寸效应的数值模拟[J ].水力发电学报,2011,30(4):147~154.[3]吕兆兴,冯增朝,赵阳升.岩石的非均质性对其材料强度尺寸效应的影响[J ].煤炭学报,2007,32(9):917~920.[4]雷继辕.不同应变率下岩石抗拉与抗压尺寸效应对比研究[D ].南京:南京大学,2015.[5]梁正召,张永彬,唐世斌,等.岩体尺寸效应及其特征参数计算[J ].岩石力学与工程学报,2013,32(6):1157~1166.[6]尹乾,赵洪辉,邓天慈,等.几何尺寸对岩石抗拉强度影响的试验研究[J ].煤矿安全,2014,4(5):17~20.[7]严妍,郑永来,曹宏泰,等.常规三轴条件下不均匀岩石的强度尺寸效应[J ].低温建筑技术,2017,39(12):130~133.[8]A y a t o l l a h iM R ,A k b a r d o o s t J .S i z ea n d g e o m e t r y e f f e c t so nr o c kf r a c t u r e t o u gh n e s s :M o d e I f r a c t u r e [J ].R o c k M e c h a n i c sa n d R o c kE n g i n e e r i n g ,2014,47(2):677~687.[9]T a n g C ,L i u H ,L e eP ,e ta l .N u m e r i c a l s t u d i e so f t h e i n f l u e n c eo fm i c r o s t r u c t u r eo nr o c kf a i l u r e i nu n i a x i a l c o m pr e s s i o n [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g Sc i e n c e s ,2000,37(4):555~569.[10]张海东.高径比对混凝土巴西劈裂试验结果的影响[J ].建筑与文化,2016(2):148~149.[11]K i mJK ,Y i ST .A p p l i c a t i o no f s i z e e f f e c t t o c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f c o n c r e t em e m b e r s [J ].S ad h a n a ,2002,27(4):467~484.[12]周红,车轶,陈庚,等.混凝土立方体与圆柱体劈裂抗拉强度尺寸效应研究[J ].混凝土,2010(8):13~15.[13]李夕兵,罗琳,黎崇金.考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究[J ].工程科学学报,2017,39(9):1295~1304.[14]刘娟红,梁文泉.土木工程材料[M ].北京:机械工业出版社,2013.[15]徐燕飞,赵伏军,王国举,等.不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应[J ].矿业工程研究,2012,27(4):7~12.[16]徐快乐,刘聪颖,倪鑫,等.砂岩巴西劈裂抗拉强度的尺寸效应研究[J /O L ].长江科学院院报,2018-12-21.[编辑] 计飞翔㊃99㊃第16卷第7期温曹轩等:固井水泥石巴西劈裂强度尺寸效应试验。
基于巴西圆盘数值试验的砂岩破裂过程分析
基于巴西圆盘数值试验的砂岩破裂过程分析侯玲;尹小涛【摘要】Three Brazilian disc numerical simulation samples of sandstone were established by PFC2D, they are homogeneous sample, samples containing dia. 0. 2 mm mineral grains and dia. 0. 2 mm pore. The 5 analytical circular areas with radius of 5 mm each are set up at the left, right, middle, upper and bottom of the test specimens, and the stress values at the x and y directions are analyzed in the loading process respectively. The analytical results indicate that the existence of mineral grains can greatly enhance the mechanical behaviors of sandstones. The stress in x direction at the inner analytical point is 10 -100 times higher than the stress in x direction of other cases, and the stress in y direction increases 1 ~ 2 times as much as that in the same order of magnitude. The pore existence can weaken the mechanical behavior of sandstone, and the stresses in x and y directions in the same order of magnitude will decrease by 1 -2 times as much. All these indicate that the stress changing monitored externally differs greatly from the internal stress changing in a material. This phenomenon is caused by the differences of material constraints and boundary constraints.%在PFC2D平台下设计了均质、含0.2mm矿物颗粒和含0.2mm孔隙砂岩的数值巴西圆盘试验.在试件左、右、中间、上部和下部设定了5个半径为5 mm的分析球.分别分析了试件加载过程中的x、y 方向应力值.分析发现矿物颗粒的存在极大地增强了砂岩的力学行为,内部分析点x方向应力均高出其他情况x方向应力1～2个数量级,y方向应力则在同一个数量级上增加1～2倍.孔隙的存在弱化了砂岩力学行为,x、y方向应力均在同一数量级上减小1～2倍.说明外部监测到的应力变化与材料内部应力的变化情况有很大差异,这是物质约束与边界约束的不同造成的.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2012(028)001【总页数】6页(P72-77)【关键词】颗粒流;砂岩;矿物颗粒;孔隙;应力【作者】侯玲;尹小涛【作者单位】西安理工大学理学院,陕西西安710054;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室,湖北武汉430071【正文语种】中文【中图分类】O319.56一般岩体的天然结构主要包括孔隙、裂隙、节理、层理及各种物相接触面等，这些天然结构多产生于成岩作用过程、地质动力作用以及各种自然的物理和化学过程，是漫长地质历史演化过程的产物。
巴西劈裂法实验总结
巴西劈裂法实验总结巴西劈裂法实验是一种常用的材料力学实验方法，用于测定材料的断裂韧性。
本文将对巴西劈裂法实验进行总结，包括实验原理、实验步骤、实验结果分析等内容。
一、实验原理巴西劈裂法实验是一种静态力学实验方法，主要用于测定岩石、混凝土等材料的断裂强度和断裂韧性。
实验原理基于材料在拉伸过程中的断裂特性，通过施加一个压力垂直于材料的力，使材料产生横向拉伸破坏，从而测定材料的断裂强度和断裂韧性。
二、实验步骤1. 准备实验材料：选择合适的岩石或混凝土样品，并将其切割成规定尺寸的圆盘状。
2. 安装试样：将试样放置在实验机的夹具上，并保证试样的对称性和垂直性。
3. 施加压力：在试样的两个平行表面上施加垂直于试样轴线的压力，逐渐增加压力直到试样发生破坏。
4. 记录实验数据：记录在破坏前后施加的压力值，并测量试样的断裂面积。
5. 分析实验结果：根据实验数据计算出试样的断裂强度和断裂韧性。
三、实验结果分析巴西劈裂法实验得到的实验结果主要包括断裂强度和断裂韧性两个指标。
1. 断裂强度：断裂强度是指试样在破坏前所能承受的最大压力值。
通过实验数据的分析计算得到断裂强度，可以用于评估材料的抗压能力。
2. 断裂韧性：断裂韧性是指试样在破坏过程中所吸收的总能量。
通过实验数据的分析计算得到断裂韧性，可以用于评估材料的耐久性和抗冲击能力。
实验结果分析可以通过多次实验取平均值，以提高结果的准确性和可靠性。
同时，还可以对不同材料进行比较，评估其断裂特性的差异。
巴西劈裂法实验的优点是实验过程简单、操作方便，能够对材料的断裂特性进行较准确的评估。
但也存在一定的局限性，例如实验结果受到试样几何形状的影响，需要进行合理的试样设计和选择。
总结：巴西劈裂法实验是一种常用的材料力学实验方法，通过施加垂直于材料轴线的压力，测定材料的断裂强度和断裂韧性。
实验结果可用于评估材料的抗压能力、耐久性和抗冲击能力。
实验过程简单、操作方便，但需要注意试样几何形状对实验结果的影响。
不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｈ ｕ ｎ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｎｄ ａ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ｔ ａ ｎ ４ １ １ ２ ０ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ｕ ｎ ｎ ａ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｉ ａ ｌ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｓ ａ ｆ ｅ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｌ ａ Ｍｉ ｎ ｅ ｓ ， Ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ｔ ｎ ａ ４ １ １ ２ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ＲＭＴ 一１ ５ ０Ｃ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ—ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉｇ ｒ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ．Ｒｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｄ ｅ ｆ ｏ ｍａ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｍ ａ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｒ ｏ ｃ ｋ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ
含夹层巴西劈裂实验方案
含夹层巴西劈裂实验方案一、试验内容1、把无夹层完整巴西盘在荷载作用下破坏规律和力-位移关系曲线作为对照组，并含夹层巴西盘进行对比。
2、考虑加载速率、试件尺寸、夹层灰砂比对巴西劈裂实验影响，并对破坏规律和力-位移关系曲线进行分析。
3、将ABAQUS仿真模拟得出的力-位移曲线和试验得出的力-位移曲线进行对比。
二、巴西静态劈裂拉伸实验静态劈裂拉伸实验所采用的试件与确定混凝土强度等级的试件相同(立方体或圆柱体),通过上下压板与试件之间各垫以圆弧型钢垫条及垫层对试件中心施加压力。
由弹性力学分析可知,在试件的垂直中面上除加力点附近的局部区域外,将产生均匀的水平拉应力,当此拉应力增大到混凝土抗拉强度时,试件将沿垂直中面裂为两半。
如图所示增加荷载直到劈裂沿着垂直方向的直径开始,对任意作用在圆柱体上的压缩荷载P ,圆柱体垂直直径方向上,附近的单元受到垂直方向的压应力为:()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1-22z D z D LD P z πσ 以及水平方向的拉应力为:LDPy πσ2= 式中P —垂直总荷载 D —圆柱体的直径 L —圆柱体的长度查阅文献可知,试件尺寸愈小,劈裂强度愈高。
此外,垫条的大小、形状和材料对劈裂实验结果均有影响,加大垫条的截面尺寸,可提高试件的劈裂强度。
三、试件制作基本砂浆灰砂比1:1，编号为C。
采用42.5普通硅酸盐水泥。
夹层砂浆取四种不同配灰砂比1:0 、1:0.5 、1:1（无夹层）、1:2 ,编号分别为A、B、C（无夹层）、D、。
夹层与直径通长设置，宽度为5mm。
首先按照不同的配比制作成100mm×100mm×100mm立方体,在标准条件下,养护达到28天龄期后,采用钻孔取芯的方法取芯,然后统一在大理石切割机上加工成型。
试件尺寸为Φ75mm×75mm的圆柱体和Φ75mm×50mm的圆柱体。
编号夹层灰砂比试件尺寸试件个数A-1 1:0 Φ75mm×75mm 2A-2 1:0 Φ75mm×50mm 2B-1 1:0.5 Φ75mm×75mm 2B-2 1:0.5 Φ75mm×50mm 2C-1 1:1 Φ75mm×75mm 2C-2 1:1 Φ75mm×50mm 2D-1 1:2 Φ75mm×75mm 2D-2 1:2 Φ75mm×50mm 2总计16分析不同夹层灰砂比和试件尺寸条件下巴西圆盘的力-位移变化曲线。
巴西劈裂实验实验方案
巴西劈裂实验实验方案内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）巴西劈裂实验一、实验目的岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值。
由于巴西劈裂法实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸法测得的抗拉强度很接近，故常用此法测定岩石抗拉强度。
二、实验原理劈裂法的基本原理是基于圆盘受对径压缩的弹性理论解。
试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：式中：σt—试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，MPaP —试件破坏时的极限压力，N；d、t—承压圆盘的直径和厚度，mm；图1 劈裂试验加载和应力分布示意图三、试样制备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.试样规格：采用直径为50mm，高为25mm~50mm（高度为直径的~倍）的标准圆柱体。
试样尺寸的允许变化范围不宜超过5%。
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，但高径比必须满足标准试样的要求。
3.试样数量：试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般每种岩石同一状态下，试样数量不少于5块。
4.含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1~2d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。
5.试样制备精度：整个厚度上，直径最大误差不应超过。
两端不平行度不宜超过。
端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过度。
四、实验设备圆柱体试样、游标卡尺、劈裂夹具、钢丝垫条（用直径为~钢丝）、液压材料试验机。
五、实验步骤1.测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。
2.用游标卡尺测量试样尺寸，保留两位小数。
3.将试样放置在劈裂夹具内，再用V型夹具及两侧夹持螺钉固定好试样。
4.把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。
5.开动试验机，松开劈裂夹具两侧夹持螺钉，然后以 ~ MPa/s的加载速度均匀加载，直至破坏。
岩石单轴压缩、拉伸、巴西劈裂数值实验模拟
形成新的刚度矩阵
计算基元节点力和位移
线弹性有限元求解器
将相变基元进 行弱化处理
是
根据相变准则判 断基元是否发生 相变
否 否
加载是否 结束 是
结束
图 1、RFPA 程序流程图
3.1.3 数值实验结果和分析 图 2 是单轴拉伸应力—位移及其声发射频数数值模拟曲线， 由图可知单轴拉 [2] 伸应力—位移整个过程曲线可以分为三个阶段 ：（Ⅰ）线性变形阶段；（Ⅱ） 非线性变形阶段；（Ⅲ）裂纹迅速发展、贯通，应力急剧弱化阶段。 如图 2 模拟曲线所示，当应力小于 5MPa 时，应力—位移曲线为直线，当随 着应力的不断增加，曲线逐渐偏离线性，应力达到峰值强度后，应力突变到强度 的 1/7 左右，又逐渐平缓到达残余应力，此数值模拟基本上和论文[1]一致，证明 数值模拟的合理性。由此发现，岩石在直接拉伸过程中也具有脆性破坏和残余强 度，这一点和硬岩（例如花岗岩）单轴条件下的力学特性很吻合。
实体建模和网格划分用统计分布函数赋予每个基元刚度相变等值施加荷载产生一个新的位移和载荷形成新的刚度矩阵计算基元节点力和位移根据相变准则判断基元是否发生相变开始结束加载是否结束线弹性有限元求解器将相变基元进行弱化处理cstep7006bstep5202astep4201图3rfpa模拟单轴拉伸条件下的破坏过程最大主应力场声发射累计分布图50100150200100200300400500声发图2单轴拉伸应力位移以及声发射个数位移曲线图4单轴拉伸条件下裂纹扩展是rfpa数值模拟得到的岩石单轴拉伸条件下的破裂过程最大主应力场声发射累计分布图
2.3 程序简介
整个工作流程见下图 1，对于每个给定的位移增量，首先进行应力计算，然 后根据相变准则来检查模型中是否有相变基元，如果没有，继续加载增加一个位 移分量，进行下一步应力计算。如果有相变基元，则根据基元的应力状态进行刚 度弱化处理，然后重新进行当前步的应力计算，直至没有新的相变基元出现。重 复上面的过程， 直至达到所施加的载荷、 变形或整个介质产生宏观破裂。 在 RFPA 系统执行过程中，对每一步应力、应变计算采用全量加载，计算步之间是相互独 立的。
典型巴西劈裂试验与直接拉伸试验的比较研究
ＤＯＩ:１０������ ３９６９ / ｊ������ ｉｓｓｎ������ １６７２ － ４０１１������ ２０１９������ ０４������ ０３３
０ 前 言
如何通过快速、经济的实验方法获得岩石抗拉强度成为 岩土工程界研究热点ꎮ 尽管直接拉伸试验能准确获得岩石 的抗拉强度ꎬ但存在操作复杂、耗时较长、经济性差等缺点ꎮ 因此ꎬ间接拉伸测试法成为岩石抗拉强度测试最经济有效的 实验方法ꎬ其中巴西劈裂试验是岩石抗拉强度间接测试最为 常用的试验方法 [１ －５] ꎬ但其试验方法的合理性及抗拉强度实
１ 直接拉伸试验
对红砂岩及花岗岩的圆柱形试件分别进行 １０ 次直接拉
伸试验ꎬ由式(１) 计算得到岩石试件的抗拉强度ꎬ然后取其平
均值作为该岩石的抗拉强度( 见表 １)ꎮ 其中红砂岩直接抗
拉强度为 ２������ ８４ ＭＰａꎬ花岗岩直接抗拉强度为 １������ ９７ ＭＰａꎮ 部分
直接拉伸试件破坏断面如图 １ꎮ
变异系数 ＲＳＤ
０������ ２８５２ ０������ ０９５
加载中心线起裂ꎮ 为验证这三种巴西劈裂试验的有效性ꎬ在 巴西圆盘试件上进行应变测量ꎮ 图 ２ 为部分破裂试件及相 应的应变监测实验数据ꎮ
图 １ 部分直接拉伸破坏试件
如图 １ 所示ꎬ直接拉伸试验试件破坏均发生在试件的中 间位置ꎬ实验效果较好ꎬ能够说明试件的破坏是由于轴向拉 伸力大于岩石试件抗拉强度而造成的拉伸破坏ꎬ保证实验数 据的可靠性ꎮ
验结果的精确性有待进一步研究ꎮ 本文红砂岩及花岗岩作 为研究对象ꎬ分别进行直接拉伸试验、无垫条巴西劈裂法( 下 文简称“ 无垫条法” ) 、垫条巴西劈裂法( 下文简称“ 垫条法” ) 及弧形夹具巴西劈裂法(下文简称“弧形夹具法”)ꎮ 实验过 程中对试件的特定位置进行应变监测ꎬ并对直接拉伸试验结 果与巴西劈裂试验结果进行分析ꎮ 该研究以室内实验为基 础ꎬ确定不同巴西劈裂试验结果的准确性及合理性ꎬ旨在为 岩石抗拉强度的测量提供实验依据ꎬ具有较强理论与实际 意义ꎮ
巴西试验
根据平面应力问题的弹性力学解答可知
（1）
式中 P为圆盘径向荷载，L为圆盘厚度，D为圆盘 直径
• 在线荷载P（加载力）的作用下，圆盘中心O处有 因此可以得到水平拉应 力为 （2） 压应力为
（3）
可以看出，圆盘中心出的压应力只有拉应力的3 倍，而混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的 1/10～1/20，因此可以认为试样为劈裂破坏。
巴西劈裂试验
巴西实验原理
• 测量材料的抗拉强度 方法有直接拉伸法和 间接拉伸法，但由于 直接拉伸试验的岩石 试样在加工过程中比 较困难，另外试验加 载过程中有时会出现 偏心，不能保证拉力 通过试样中心轴。
• 间接拉伸法包活巴西劈裂试（Brazilian test）、 三点试验、和圆环劈裂试验等，其中巴西劈裂 试验是在国内外运用最为广泛的一种方法。传 统的试验方法是将经过加工的圆盘状试样,放 置于压力机的承压板间,并在试样与上、下承 压板之间各放置一根直径为1mm的硬质钢丝作 为塾条,垫条位于与试样端面垂直的对称轴面 上,它可将施加的压力变为线荷载,以使试样内 部产生垂直于上、下荷载作用方向的拉应力。 使试样因拉应力而破坏。
对均布受压的平台圆盘要获得精确的弹性力 学位移解和应力解都是不可能的。因此，研 究方法采用有限元分析(ANSYS)和近似弹性解 析。用ANSYS对2a= 30°计算的AB线上的 经无量纲化后绘于图2
根据图公式是基于平面应力问题 的弹性力学的解析解，而试样实际上处于三 维应力状态； 2 线荷载加载形式容易导致试样从加载点起裂， 不满足中心起裂条件。 对此王启智等人提出了平台巴西圆盘试样， 在圆盘试样中引进两个平台作为加载面，把 载荷有集中力改为平台上的均布力，彻底改 善了接处触部位的应力状态。
在实际试验过程中，考察试样中心垂直于加 载方向上的受力情况，在ox上任一点，根据 几何关系 （4） 并且有 （5）
岩石的巴西劈裂试验检索综述
岩石的巴西劈裂试验检索综述岩石的巴西劈裂试验是一种常用的实验方法，用于评估岩石的力学性质和强度。
本文将对这一试验进行综述。
一、试验原理巴西劈裂试验是一种静态试验，其原理是将一个圆柱形岩心样品放置在两个平行的钢板之间，一侧施加垂直于岩心轴线的载荷，另一侧则施加相反方向的载荷，直到岩心样品从中间劈裂为止。
在试验过程中，岩心样品受到的载荷会产生应变和应力，而应变和应力之间的关系可以通过应力-应变曲线来表示。
应力-应变曲线可以用来评估岩石的力学性质和强度，如弹性模量、抗压强度等。
二、试验步骤巴西劈裂试验的步骤如下：1. 准备岩心样品。
将岩石样品切割成圆柱形，直径为50mm，高度为25mm。
2. 安装试验设备。
将两个钢板平行地放置在试验机的下部，将岩心样品放置在钢板之间，确保其沿中心轴线对称。
3. 施加载荷。
施加载荷开始时，试验机以一定的速度施加载荷，直至岩心样品中间出现裂纹，然后停止施加载荷。
4. 记录数据。
在试验过程中，可以通过传感器记录载荷和应变数据，从而得到应力-应变曲线和岩石的力学性质。
三、试验结果分析通过巴西劈裂试验得到的应力-应变曲线可以用来评估岩石的力学性质和强度。
在曲线上，可以通过线性拟合得到岩石的弹性模量，也可以通过曲线的最大点得到岩石的抗压强度。
巴西劈裂试验还可以用来评估岩石的断裂韧性。
断裂韧性是指岩石在受到载荷时，能够抵抗裂纹扩展的能力。
通过巴西劈裂试验，可以观察岩石样品中间的裂纹扩展情况，从而评估其断裂韧性。
四、试验应用领域巴西劈裂试验广泛应用于岩石力学、地质工程、矿山工程等领域。
在岩石力学领域，巴西劈裂试验可以用来评估不同类型的岩石的强度和韧性，从而提供岩石力学参数的参考。
在地质工程领域，巴西劈裂试验可以用来评估建筑物、桥梁、隧道等工程中使用的岩石材料的强度和韧性，从而保证工程的安全稳定。
在矿山工程领域，巴西劈裂试验可以用来评估矿石的强度和韧性，从而为矿山开采提供技术支持。
巴西劈裂试验是一种常用的实验方法，可以用来评估岩石的力学性质和强度，具有广泛的应用领域。
不同加载形式的PBX炸药巴西试验
（ ０ ±２） ｏ 。 ２ Ｃ
次 的相 同炸药 采用 等 静 压法 压 制 炸 药 件 ， 以直 接 拉 伸
试 验 方法 和 巴西试 验 方法 分 别 进 行 实 验 ， 立 了两 种 建
用传 统
的 巴西 试验 对 某 Ｐ Ｘ炸 药 的抗 拉 强 度 和 应 变 进 行 了 Ｂ 研 究 ， 内也有学 者借 助 巴西 试验 法 研 究 Ｐ Ｘ炸药 的 国 Ｂ 力 学性 能 。传 统 巴西试 验方 法采 用平 板对 样 品进
２ 试 验
２ １ Ｐ Ｘ 试 验 种 类 及 设 备 ． Ｂ
不 同 加 载形 式 的 Ｐ Ｘ炸 药 巴西 试 验 Ｂ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２５ ０
文 章 编 号 ：１ ０ —９ １（ ０ ０ —２ ５—５ ６９ ４ ２ １ ０ ２） ２０ ０ ０
不 同加 载 形 式 的 Ｐ Ｘ炸 药 巴西试 验 Ｂ
庞海燕， 明， 李 温茂萍， 蓝林月， ４ 敬仕明
（ 国Ｓ 程 物 理 研 究 院 化 工材 料 研 究 所 ，四川 绵 阳 ６ １ ０ ） 中 － Ｉ ２ ０ ９
研究 则对 某 Ｐ Ｘ进 行 了传 统 巴西试 验 和 圆弧 加 载 巴 Ｂ 西试 验 ， 同时还 用橡 胶垫 代替 圆弧加 载 夹具 对 Ｐ Ｘ炸 Ｂ
药进 行试 验 （ 以下称 “ 橡胶 垫 巴西试 验 ” ， 比分析 了 ）对
不 同加载 方式 巴西试 验结 果之 间 的差异 。
便、 快捷 地 制备试 样 并进 行试 验 。Ｊｈ ｓ ｎ ｏ ｎｏ
含软弱结构面石灰岩巴西劈裂破坏模式研究
复杂。
关键词： 石灰岩； 裂隙岩体； 巴西劈裂； 软弱结构面； 抗拉强度； 破坏模式
中图分类号： ＴＵ４５２
文献标识码： Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０１．００３
文章编号： ０２５３－６０９９（２０２０）０１－００１１－０５
Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｏｄｅｓ ｉｎ Ｂｒａｚｉｌｉａｎ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｔｅｓｔ ｏｎ Ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｗｉｔｈ Ｗｅａｋ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐｌａｎｅｓ
（１．矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 ４３００７０； ２．武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 ４３００７０）
摘 要： 以湖北省秭归县某矿山石灰岩为研究对象，进行了不同软弱结构面倾角 θ 的巴西劈裂实验，研究了石灰岩中软弱结构面倾
角对岩石试样破坏模式的影响，并探讨了相应的破坏机理。 结果表明：软弱结构面对试样的劈裂破坏模式具有控制性作用，随着结
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｏｆ ａ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｚｉｇｕｉ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｔｈｅ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｗｉｔｈ ｗｅａｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ （ θ） ｗａｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔｅｓｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｗｅａｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ ｉｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｏｎ ｒｏｃｋ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０° ～ ９０°， ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｃａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ θ ＝ ０° ａｎｄ １５°； ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ， ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｌｉｐ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ θ ＝ ３０°； ｓｈｅａｒ ｓｌｉｐ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ θ ＝ ４５° ａｎｄ ６０°； ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ θ ＝ ９０°． Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ θ ＝ ４５°， ６０° ａｎｄ ９０°， ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｂｙ ｂｅｄｄｉｎｇ ｐｌａｎｅｓ， ｂｕｔ ｗｈｅｎ θ ＝ ０°， １５° ａｎｄ ３０°， ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｌｌ ｂｅ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ； ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ； Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｔｅｓｔ； ｗｅａｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅｓ； ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ； ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ
砂岩巴西劈裂裂纹扩展研究
工程技术DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.17.063砂岩巴西劈裂裂纹扩展研究杨鑫康 肖珺森 王禹(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 北京 100083)摘 要：为了研究静态加载下砂岩的巴西劈裂试验特征及裂纹扩展情况，采用非线性力学实验系统对砂岩进行静态加载，利用高速摄影采集数据，用PIV软件进行分析。
经过实验和分析可知，砂岩裂纹扩展分为3个阶段：应变能积累阶段，裂纹扩展阶段，裂纹动态张拉阶段。
从起裂到裂纹贯通，水平位移的梯度越来越明显，第一主应变场在开裂部位取得最大值。
由力-位移曲线和功-位移曲线可知，位移为0.648mm时试件开裂，加载过程伴随着试件应变能的积累和耗散。
关键词：巴西劈裂 裂纹扩展 散斑 高速摄影中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)06(b)-0063-05Abstract: In order to study the Brazilian splitting test characteristics and crack propagation of sandstone under static loading, the nonlinear mechanical experiment system was used to statically load sandstone. The data was collected by high-speed photography and analyzed by PIV software. Through experiments and analysis, it can be known that sandstone crack propagation is divided into three stages: strain energy accumulation stage, crack growth stage, and crack dynamic tension stage. From the cracking to the crack penetration, the gradient of the horizontal displacement becomes more and more obvious, and the first principal strain field reaches the maximum at the cracking site. From the force-displacement curve and the work-displacement curve, the specimen is cracked when the displacement is 0.648 mm, and the loading process is accompanied by the accumulation and dissipation of the strain energy of the specimen.Key Words: Brazilian splitting; Crack propagation; Speckle; High-speed photography随着社会的发展与科技的进步，人们在各类土建工程中遇到的关于岩石力学性质的问题也越来越复杂，也有必要进行相应的研究。
巴西劈裂实验实验方案【内容详细】
巴西劈裂实验一、实验目的岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值。
由于巴西劈裂法实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸法测得的抗拉强度很接近，故常用此法测定岩石抗拉强度。
二、实验原理劈裂法的基本原理是基于圆盘受对径压缩的弹性理论解。
试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：dtPσπ2t式中：σt —试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，MPa P —试件破坏时的极限压力，N ； d 、t —承压圆盘的直径和厚度，mm ；图1 劈裂试验加载和应力分布示意图三、试样制备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.试样规格：采用直径为50mm，高为25mm~50mm（高度为直径的0.5~1.0倍）的标准圆柱体。
试样尺寸的允许变化范围不宜超过5%。
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，但高径比必须满足标准试样的要求。
3.试样数量：试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般每种岩石同一状态下，试样数量不少于5块。
4.含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1~2d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。
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。
四、实验设备圆柱体试样、游标卡尺、劈裂夹具、钢丝垫条（用直径为2.0mm~3.0mm钢丝）、液压材料试验机。
五、实验步骤1.测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。
2.用游标卡尺测量试样尺寸，保留两位小数。
3.将试样放置在劈裂夹具内，再用V型夹具及两侧夹持螺钉固定好试样。
4.把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。
5.开动试验机，松开劈裂夹具两侧夹持螺钉，然后以0.3 ~0.5 MPa/s的加载速度均匀加载，直至破坏。
巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法
3.5 3.0 2.5
τ xy
2 P ⎛ sin θ1 cos 2 θ1 sin θ 2 cos 2 θ 2 ⎞ = − ⎜ ⎟ r1 r2 πL ⎝ ⎠
σx(x)/σ0 σy(x)/σ0
在线载荷 P(加载力 )的作用下，圆盘中心点 o
σx(x)/σ0 或σy(x)/σ0
处，有 r1= r2= 0.5D，θ1 = θ2 = 0° ，根据式(2)和(3)， 可以得到沿试样垂直向直径平面内的水平拉应力为 2P σx = − (5) πDL 水平向直径平面内的压应力为 6P σy = πDL
～11]
4
P
1—“V”型凹槽；2—垫板；3—岩石试样；4—钢质压条 (a) 岩石试样加载示意图 y P θ1 r1
T(x，y) o r2 θ2 x
。该方法有试验原理和操作上的简化
和便利。需要注意的是，有限长度的电阻片所反映 的应变要小于圆盘中心处的真实应变，电阻片不能 大于圆盘直径的 1/10[12]；而且在黏贴过程中如何保 证应变片正好贴在试样受拉区域的中心并且和受拉 方向完全垂直，也不容易做到，因此所得结果的精 确性有时难以得到保证。 实际上在试验过程中，加载力、加载方向位移 和试样中心垂直加载方向的位移是最方便得到的 3 个力学参数。而且通过经典的圆盘对心受力的理论 分析，试样中心垂直加载方向上各点的应变值都可 以得到。因此，如果能够建立起试样中心垂直加载 方向上各点的应变值和总位移变形量之间的关系 式，那么问题就迎刃而解，很容易得到试样劈裂受 拉破坏的拉伸模量。 基于上述思想，本文利用微积分的原理推导了 岩石拉伸模量和试样中心垂直加载方向上总位移变
第 29 卷 第 5 期 2010 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
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巴西劈裂实验
一、实验目的
岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值。
由于巴西劈裂法实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸法测得的抗拉强度很接近，故常用此法测定岩石抗拉强度。
二、实验原理
劈裂法的基本原理是基于圆盘受对径压缩的弹性理论解。
试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
dt
P σπ2t
式中：σt —试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，MPa P —试件破坏时的极限压力，N ； d 、t —承压圆盘的直径和厚度，mm ；
图1 劈裂试验加载和应力分布示意图
三、试样制备
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.试样规格：采用直径为50mm，高为25mm~50mm（高度为直径的~倍）的标准圆柱体。
试样尺寸的允许变化范围不宜超过5%。
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，但高径比必须满足标准试样的要求。
3.试样数量：试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般每种岩石同一状态下，试样数量不少于5块。
4.含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1~2d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。
5.试样制备精度：整个厚度上，直径最大误差不应超过。
两端不平行度不宜超过。
端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过度。
四、实验设备
圆柱体试样、游标卡尺、劈裂夹具、钢丝垫条（用直径为~钢丝）、液压材料试验机。
五、实验步骤
1.测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。
2.用游标卡尺测量试样尺寸，保留两位小数。
3.将试样放置在劈裂夹具内，再用V型夹具及两侧夹持螺钉固定好试样。
4.把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。
5.开动试验机，松开劈裂夹具两侧夹持螺钉，然后以 ~ MPa/s的加载速度均匀加载，直至破坏。
6.记录破坏载荷，破坏类型描述。
注意事项：
1.试样上、下两根垫条应与试样中心面位于同一平面内，以免产生偏
心载荷。
2.破坏面必须通过上、下两加荷载线，若只产生局部破坏，须重新实
验。
六、数据处理
岩石抗拉强度测定结果填入下表。
表1 岩石抗拉强度测定结果。