基于巴西劈裂试验的碎屑冰抗拉强度及影响因素研究

为了研究山岳冰川冰的抗拉强度特性,制备了150个不同碎屑含量(0、5%、10%、15%和20%)的重塑冰样,采用巴西劈裂试验研究了不同温度(-3℃、-5℃、-10℃、-15℃和-20℃)和不同加载速率(0.04 mm·s^(-1)和0.1 mm·s^(-1))条件下的冰的抗拉强度。结果表明:冰样沿着加载方向启裂、扩展而产生贯通破坏,破裂面的性状与碎屑含量和温度有关,碎屑含量越高、温度越低则冰的脆性越强。纯冰的抗拉强度随着温度的升高而线性减小;碎屑冰的抗拉强度则随温度的升高呈先上升后下降的规律,且在-10℃左右时达到最大值;冰的抗拉强度随着碎屑含量的增加而增大,碎屑含量20%的冰的抗拉强度可达纯冰的1.82倍;温度较低、碎屑含量较少时,加载速率越大则抗拉强度越高。该成果为揭示山岳冰川冰的拉裂破坏和成灾机理提供了理论基础。

基于多重判据的六苴矿区深部岩爆倾向性研究

以大姚六苴礅区矿山6个中段的3种岩性为研究对象,通过地应力测量、室内单轴抗压强度、巴西圆盘劈裂强度、弹性变形测量,结合E.Hoek判据、Russenes判据、徐林生判据、脆性判据对不同中段的岩爆倾向性进行分析。四种判据通过复合判据结合进行研判。研究结果表明:670中段会发生轻微岩爆~中等岩爆,710、740、770均无岩爆,800的紫红色细粒砂岩及860的矿石会发生轻微岩爆。基于多重判据的六苴矿区岩爆倾向性分析为地下矿山的岩爆灾害预防提供了一定的参考价值。

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明:煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。

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。

石灰岩抗拉强度的试样厚度效应试验研究

岩石的抗拉强度是反映岩石力学性质的一个重要指标,也是矿山工程稳定性分析的重要依据。通过对厚度在25 mm、30 mm、50 mm的圆柱形石灰岩试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法,分析了试样厚度对岩石劈裂强度和拉伸弹性模量的影响。研究结果表明,石灰岩劈裂强度以及拉伸弹性模量均随试样厚度的增加而减小,岩石劈裂时横向应变也受试样厚度的影响,并存在明显的应变尺寸效应。劈裂试验中,岩石试件的拉伸应力-应变曲线呈线性关系,曲线的斜率随着试件厚度增加而减小。岩石破坏形态主要沿加载直径劈裂破坏为两个半圆,且两加载端基本完整,试件的破坏面一般都是沿着轴向受载荷的方向。

超细晶WC-Co硬质合金抗拉强度有限元计算方法研究

基于超细晶WC-Co硬质合金真实金相图片,开展有限元模拟拉伸断裂试验,模拟了硬质合金拉伸断裂的具体过程,并利用LS-DYNA有限元方法预测了超细晶WC-Co硬质合金的抗拉强度。根据数值模拟结果,WC-Co硬质合金抗拉强度为132 MPa。将超细晶WC-Co硬质合金加工成中间钻孔的圆盘,通过改进的巴西劈裂试验,间接测量出超细晶WC-Co硬质合金的最大抗拉强度为114.5 MPa。将数值模拟结果与试验结果进行比较,误差约为15%。数值模拟结果与试验结果比较接近,说明基于超细晶真实金相图片的有限元裂纹扩展模拟能较为准确地再现硬质合金断裂失效的过程,预测材料的力学性能,为分析硬质合金的断裂失效提供依据。

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.

高突出倾向性煤的力学性质试验及研究

为了研究高突出倾向性煤的性质,通过YAW-3000全自动压力试验机和YAD-2000型微机控制电液伺服岩石压力试验机分别对高突出倾向性煤样进行了巴西劈裂试验、单轴抗压试验和角模压剪试验,得到了高突出倾向性煤的有关力学性质和参数。

劈裂法测地勘岩芯抗拉强度的形状效应研究

对现场所取岩芯进行力学分析是确定和评价其工程性质的重要途径和手段;但对于一些整体性和强度较差以及裂隙或层理发育的岩层,将现场钻取的岩芯加工成符合规范的标准岩芯。首先加工难度大,更主要的是二次加工对岩芯扰动大,导致力学实验结果偏差较大。为此,将现场地勘岩芯直接应用于力学实验岩芯,通过抗压强度测试中的尺寸效应、劈裂法抗拉强度测试中的形状效应研究,得出以下结论:不同高径比的巴西圆盘劈裂法间接测试抗拉强度的形状效应表明,劈裂法间接测得的抗拉强度和圆盘尺寸离散性较大;但也表现出一定的分布规律。总体上随高径比的增大而呈减小趋势;因此,由于抗拉强度形状效应的离散性,试验中尽可能采用规范规定的尺寸进行强度试验。若在标准岩芯获取受限制的情况下,也可以用非标试件进行试验,引起的误差必须修正。

白砂岩力学参数尺寸效应实验研究

岩石力学性质参数具有尺寸效应,这一重要性质在工程设计和建设中往往被忽略。进行不同尺寸岩石的力学性质实验是研究岩石材料尺寸效应的主要方法,但是目前的实验规程缺少针对不同尺寸试样的实验方法,并且缺少非标准尺寸试样的配套实验夹具装置。该文提出了岩石尺寸效应实验的试样制备标准,设计了配套的实验夹具装置,完善了岩石尺寸效应实验方法。选取白砂岩为研究对象开展抗压和抗拉强度尺寸效应实验,研究岩石力学参数与试样尺寸之间的关系。结果表明,岩石抗压强度和变形模量随着试样尺寸的增加而减小,泊松比没有尺寸效应规律,抗拉强度先增大后减小。

煤矿区现场地勘岩芯直接用作抗压强度实验岩芯的几何效应研究

对现场所取岩芯进行力学分析是确定和评价其工程性质的重要途径和手段;但对于一些整体性和强度较差以及裂隙或层理发育的岩层,将现场钻取的岩芯加工成符合规范的标准岩芯,首先加工难度大;更主要的是二次加工对岩芯扰动大,导致力学实验结果偏差较大。为此,将现场地勘岩芯直接应用于力学实验岩芯,通过抗压强度测试中的尺寸效应和形状效应研究,得出以下结论:1高径比为二比一的非标岩芯测试抗压强度的尺寸效应表明,强度与岩芯直径或体积之间的相关性明显。随几何尺寸的增大近似呈线性递减规律,且强度与直径之间的关系以及强度与体积之间的关系相似度高,这表明用非标岩芯做抗压强度试验是可行的,只需对非标试件所得结果进行修正,即可得到标准试件下的当量强度。2抗压强度的形状效应表明,不同高径比时岩石抗压强度的离散性较大,但也表现出一定的分布规律,总体上随高径比的增大而呈减小趋势,与体积的增大也呈减小趋势。因此,鉴于抗压强度形状效应的离散性,试验中尽可能采用高径比为二的岩芯进行试验,这样所得的结果线性换算后可比性高一些。

不同冷却方式对花岗岩力学损伤特征影响

通过开展高温作用后的花岗岩在自然冷却与遇水冷却2种条件下的巴西劈裂声发射监测试验,研究了花岗岩不同冷却方式下的物理力学性质、声发射(AE)特征及其内部矿物和微观结构特征变化规律。研究结果表明:在2种冷却方式下花岗岩的抗拉强度、P波波速、弹性模量以及泊松比均随温度的升高而呈现下降的趋势,且遇水冷却时下降幅度更大,其中在500~600℃时由于石英发生相变,使得花岗岩的物理力学性质发生显著变化;花岗岩破坏过程中振铃计数特征、能量演化特征以及声发射b值变化规律与应力曲线的各个阶段基本吻合,遇水冷却时的声发射活动性更强且声发射b值低于自然冷却时的试样,表明遇水冷却时花岗岩主要以大尺度裂纹破坏为主;花岗岩在低温时呈拉伸式破坏,中温时呈现拉伸剪切混合破坏,高温时以拉伸破坏为主,且遇水冷却时试样破坏模式更复杂;高温加热后的花岗岩主要矿物成分未发生明显变化,其中长石和石英含量的变化较为明显;2种冷却方式下花岗岩内部微裂纹(沿晶裂纹、穿晶裂纹、脱离缺陷)的数量、张开度、扩展范围、连通性以及延伸长度均发生明显变化,以高温时遇水冷却的试样损伤程度最为严重,且随着加热温度的不断升高,内部裂纹不断增加,花岗岩的损伤程度也逐渐变大;高温花岗岩快速冷却的损伤机制主要是脱水作用、矿物相变以及热应力的综合作用,本质特征是热应力导致的微裂纹对岩石的弱化作用。

含水状态对砂岩劈裂抗拉力学特性影响研究

为了研究含水状态对岩石劈裂抗拉强度的影响效应和机理,设计进行了0.00%、33.33%、48.15%、62.96%、77.78%、85.19%、100.00%,7种含水饱和度的砂岩圆盘劈裂试验,对劈裂面进行了微观形貌扫描分析。结果表明:(1)砂岩的抗拉强度随着含水饱和度的增大明显下降,总体呈现先陡后缓的趋势,含水饱和度大于60%之后,抗拉强度下降趋势趋于缓慢;(2)随着含水饱和度的增加,破裂面的平整度逐渐变差,加载钢丝处的局部破坏现象逐渐严重;(3)随着含水饱和度的增大,劈裂面表面形貌的高度起伏、波动程度、表面粗糙程度和偏离基准面程度均逐渐增加,形貌参数增大幅度呈现先陡后缓的趋势,在含水饱和度大于60%之后,增长趋势逐渐变得缓慢;(4)随着含水饱和度的增加,矿物颗粒间的连接明显减弱,加之孔隙水压力作用,使劈裂面沿薄弱面发展,从而导致劈裂面高度参数、纹理参数逐渐增大,宏观上表现为劈裂面平整度、粗糙度增大,抗拉强度下降。研究成果可为含水状态下岩石物理力学特性的劣化机理分析提供参考。

不同煤体结构煤岩抗拉强度测试

煤岩作为一种特殊的沉积岩,在形成后大多会经历多期构造运动,造成煤体结构的多样性,很难直接采用某一种方法进行不同煤体结构煤岩抗拉强度测试。为获得不同煤体结构煤岩抗拉强度,以淮北矿业(集团)有限责任公司孙疃煤矿10煤为研究对象,分别采用巴西劈裂试验和点荷载试验对不同煤体结构煤岩进行了测试。结果表明:①通过巴西劈裂试验测得原生结构煤、碎裂煤平均抗拉强度分别为1.174,0.710 MPa;通过点荷载试验测得原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均点荷载强度分别为0.368,0.248,0.112,0.041 MPa。②煤的点荷载强度与抗拉强度具有较好的线性相关性,对点荷载强度与抗拉强度测试结果进行线性拟合,获得点荷载强度与抗拉强度的转换关系式,进而根据关系式计算得到碎粒煤、糜棱煤平均抗拉强度分别为0.345,0.126 MPa。③从原生结构煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤,即随着煤体结构破坏程度增加,煤岩抗拉强度显著降低,且下降幅度呈逐渐增大趋势。

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。

松针加筋黄土的抗拉强度试验

为研究松针加筋黄土的抗拉性能,采用巴西劈裂试验研究松针掺量、松针长度、加筋方式及含水率对黄土抗拉性能的影响。研究结果表明:在黄土中掺入松针可有效提高黄土的抗拉强度和抗裂能力;在筋材掺量为1.1%、筋材长度为3.9 cm、加筋方式为同向平铺和含水率为14.3%时,抗拉强度最大,其值为60.85 kPa。

北山花岗岩张拉力学性质及声发射特征研究

以我国高放射性废物处置库甘肃北山预选区为工程背景,通过巴西劈裂试验、直接拉伸试验以及三轴压缩试验研究北山花岗岩的基本力学性质,试验过程中监测声发射数据,基于声发射特征开展了巴西劈裂试件内部的破裂形式及其演化过程研究。研究表明:①直接拉伸试件的强度约为巴西劈裂试件强度的1.23倍,巴西劈裂试件呈现明显的脆性破坏,而直接拉伸试件呈现一定的塑性破坏特征;②巴西劈裂试件的声发射事件数在应力达到峰值应力的70%之前增加比较剧烈,直接拉伸试件的声发射事件数在峰值附近增加比较剧烈;③三轴压缩试验声发射事件的频率主要分布在0~80 kHz范围内,直接拉伸试验和巴西劈裂试验的声发射事件频率主要集中在0~160 kHz;④巴西劈裂试件张拉裂纹的数量约为剪切裂纹数量的20.6倍,且张拉裂纹由试件中心向端部扩展,并最终形成贯通的破裂面。

花岗岩动态巴西劈裂试验力学特性研究

岩石爆破等许多工程涉及到岩石的动态破坏力学特性,而岩石的应力状态和加载速率对其动态抗拉强度会产生明显的影响。对甘肃北山480~490 m深处的花岗岩进行了动态巴西劈裂试验,研究了岩石强度随加载速率的变化规律及岩石破坏模式。结果表明:随着加载速率的增加,岩石的动态抗拉强度明显增加,并呈现出硬化现象。岩石在动态巴西劈裂试验中,表现为拉伸破坏;在加载局部位置,出现了较小的破碎区。

大理岩点荷载强度与抗压和抗拉强度的关系

点荷载试验是一种快速测定岩石强度的方法。以广东阳江地区大理岩为研究对象,开展了单轴抗压、点荷载以及巴西劈裂等试验研究。采用不同的加载方式(轴向试验和径向试验)进行点荷载试验,讨论规范中建议的修正指数对点荷载强度的影响。研究结果表明:采用规范建议的修正指数为0.4~0.45修正得到的点荷载试验标准值Is(50)与直接由径向加载试验得到Is(50)差别不大,但采用修正指数为0.5时修正更精确。结合室内的几种强度试验的分析,获得了大理岩单轴抗压强度和单轴抗拉强度与点荷载试验标准值Is(50)之间的经验转换关系式。

浅议实验室岩石抗拉强度测量方法

岩石抗拉强度是研究岩石破裂、岩体失稳和岩体破坏过程的重要输入参数,但是如何准确确定岩石抗拉强度仍然存在很多争议。本文系统地梳理和总结了多种抗拉强度测量方法的研究成果,岩石抗拉强度测定包括直接拉伸法和间接拉伸法,其中直接拉伸法包括直接拉伸试验、双轴延伸试验、Luong试验;间接拉伸法包括巴西劈裂试验、弯曲拉伸试验、空心岩柱液压致裂试验等。对各种方法的研究现状、试验原理、影响因素、试验结果进行了简要总结回顾,比较了各试验的特点及适用范围。为日后工程实践中较好地选择岩石抗拉强度的测量方法提供参考。