巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法

提出巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中便于测量的物理参数,基于微积分的原理,通过对试样中心垂直加载方向上每一点拉应变的积分,可以得到该方向上总的变形量,进而推导出岩石拉伸模量和总位移变形量之间的定量关系式。该关系式包含加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心垂直加载方向上总位移变形量5个物理量,其意义明确,运用简便,可为求解巴西劈裂试验拉伸模量提供一种新的方法。

饱水煤样巴西劈裂强度和能量特征试验研究

针对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西劈裂试验,分析了饱水对煤体劈裂强度和能量特征的影响。试验结果表明:加载过程采用载荷控制时峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值后应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用位移控制时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征,但两种控制方式在试验破坏前没有本质区别;并得出两种状态下煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下抗拉强度为1.52MPa,峰值能率为881J/m2,但饱水后,煤样抗拉强度平均软化系数为0.65,平均峰值能率降幅为36.0%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明煤样抗拉强度越高,需要更多能量才能使煤样劈裂破坏。

加载角度对弧形加载巴西劈裂试验影响的数值研究

巴西劈裂试验具有试件加工方便、试验易于实现等优点,是测试岩石抗拉强度的主要方法,但是相关规范没有对加载角度作出限定,导致试验的结果较为离散。为研究加载角度对巴西劈裂试验的影响,利用有限元软件ANSYS建立加载角度为0°的集中加载模型,计算得到的应力数值解与理论解误差较小,证明数值模拟的有效性;之后以集中加载模型为原型分别建立不同加载角度的弧形加载模型,分析加载角度对中轴线上应力分布和圆盘破坏模式的影响。结果表明:随着加载角度的增大,圆盘中心处的水平拉应力减小,压拉应力比增加速率加快,圆盘内的最大压拉应力比减小。推荐弧形加载巴西劈裂试验的加载角度范围为18.4°~27.8°,对应的抗拉强度修正系数范围为0.951~0.974。

深部灰岩劈裂破坏的声发射损伤表征

深入研究深部岩石的损伤破裂信息对于岩体稳定性监测和预警具有重要的指导意义。通过进行深部灰岩巴西圆盘劈裂声发射试验,分析了声发射实测全波形的演化特征,并在信号频域内提取了波形主频,以及在时域内计算了波形特征参数RA-AF值。研究结果表明,利用声发射实测全波形可以将岩石损伤过程划分为微损伤萌生阶段、裂纹扩展阶段和结构破坏阶段。低幅值波形主要表现为连续型特征,高幅值波形则主要表现为突发型特征。声发射频谱结构与岩石的损伤量和损伤程度密切相关,主频的聚类分布特征与岩石的微观和宏观破坏相对应。基于声发射主频的RA-AF分界线有助于促进声发射信号在表征岩石破裂模式方面从定性分析向定量分析的转变。

计入受压宽度的圆盘劈裂问题弹性解及应用

为了完善计入受压宽度的圆盘劈裂问题的理论基础,构建了一个可满足圆盘外表面任意应力条件的Airy应力函数,应用该应力函数推演了圆盘上、下外表面局部荷载作用下的弹性解,通过调整局部荷载的分布形态得到了与圆盘同半径刚性弧形垫条及承载压板下的圆盘劈裂问题解。研究了2种加载形式、荷载接触宽度、材料泊松比及不同平面假设条件下圆盘的应力-应变规律,提出了圆盘最大拉应力和最大拉应变的回归公式,讨论了圆柱体劈裂问题的应用。结果表明:圆盘的最大拉应力始终出现在圆心位置,其值随着荷载接触角的增加而减小,与套用集中力作用下圆盘劈裂强度计算式得到的劈裂强度偏差随着荷载接触角的加大而增大;圆盘的最大拉应变随着材料泊松比增大、荷载接触角缩小而加大,其位置也随之由圆心向荷载作用区靠近,且平面应变状态的最大拉应变比平面应力状态的最大拉应变大一些;在外荷载总量相同的情况下,平面应力状态的圆盘上、下对称轴的压缩量较平面应变状态的大一些,当材料泊松比分别为0.2,0.4时,两者相差约4%和20%;最后,给出了圆柱体劈裂强度及劈裂压缩强度比的计算式,并认为现行国际岩石力学学会(ISRM)、美国材料与试验协会(ASTM)和中国圆柱体劈裂试验规程中采用固定荷载半接触角为0.128的弧形垫条是必要且较适合的。

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。

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。

岩石类材料拉伸弹性模量测量方法的对比研究

研究表明岩石材料在拉应力、压应力条件下具有不同的力学行为,因此,岩石材料存在两种弹性模量,分别为拉伸弹性模量和压缩弹性模量。为了甄别出直梁弯折试验和巴西劈裂试验哪一种更加适合测试岩石材料的拉伸弹性模量,以大理岩、花岗岩和砂岩为典型的岩石类型,开展了一系列的单轴压缩、直接拉伸、三点弯折和巴西劈裂试验,测试了岩石材料的拉伸弹性模量;并对测试结果的可靠性、准确性开展了系统的对比研究。最终发现,巴西劈裂试验因为较好的测量精度、制样简便、试验操作简单等因素,可以成为测量岩石材料拉伸弹性模量的推荐方法。

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。

冲击荷载下饱水板岩拉伸力学特性及能耗规律

为研究饱水状态下层状板岩的动态拉伸力学特性及能量耗散规律,通过压杆直径为50 mm的SHPB系统进行巴西圆盘劈裂试验,研究水、层理倾角及加载率对板岩的动态拉伸强度、破坏模式及能量耗散的影响。研究结果表明:(1)随着加载率的增加,板岩动态拉伸强度及耗散能密度均提高;(2)当加载率低于395 GPa·s-1时,饱水板岩的拉伸强度低于干燥板岩,岩体强度呈现饱水软化现象;当加载率高于395 GPa·s-1时,饱水板岩的拉伸强度高于干燥板岩,岩体强度呈现饱水强化现象;(3)当加载角度θ=0°~15°时,饱水板岩为拉伸破坏;θ=30°~90°时,饱水板岩为拉伸剪切组合破坏;θ=75°和90°时,随着加载率的增加,饱水板岩的动态拉伸强度增幅更快,耗散能及耗散率最高;(4)冲击荷载下饱水板岩的耗散能密度高于干燥板岩。