劈裂试验的空间效应

如题所述

巴西劈裂试验的圆盘应力分布公式是在平面应力或平面应变条件下推导出来的,而实际试验中试样是一个三维实体。平面应力条件要求试样的高径比非常小,平面应变条件要求试样的高径比非常大,而一般规程[11,12]要求的圆盘高径比为0.5~1.0,显然不能满足平面问题的假设。因而需要研究高径比对劈裂强度的影响。

文献[26]假设载荷均匀分布在中心角10°的弧面上,求得圆柱体内的弹性应力解。结果表明,在高径比小于0.25时,三维应力分布与平面解差别不到1%;高径比较大时则有明显差异。对于高径比0.5 时,圆盘中最大拉应力可以超过中心点的10%以上,具体数值与岩石材料的泊松比有关。最大拉应力出现在圆盘的对称轴上,距中心的距离约为厚度的0.4倍。有限元计算结果表明最大拉应力在端面中心,与此略有不同。

文献[27,28]进行了三维有限元计算,得到试样端部的拉应力比中间大,对于高径比为1,泊松比为0.25的圆盘状巴西试样,试样的抗拉强度比二维条件下的计算值高出30.4%。即按式(8.1)计算的抗拉强度数小于真实值的23.3%。从工程角度而言,这是偏于安全或保守的。

上述分析计算都是以弹性变形为基础,而岩石破坏之前已经产生塑性破坏,因而上述数据只能提供一种定性参考。文献[28]为了研究高径比对式(8.1)定义的抗拉强度的影响,采用三峡细粒闪长岩进行不同高度试样的劈裂试验。试样取自同一岩块,试样直径50mm,高度有5个尺寸,利用钢丝垫条进行劈裂试验,以式(8.1)计算的抗拉强度。图8-22 给出了所有的试验结果,并以

表示相同高径比的平均值。

不过实际试验结果差异达到3MPa,而高径比对强度的影响只有2MPa,很难就图8-22做出定性的结论,且重复次数较少,似不能简单回归。此外,试样高度增加,也会影响与钢丝的接触状态。图8-22的数据显示试样具有分组性。与圆柱试样的拉伸试验不同,劈裂试样都是在指定方向破坏的,如果岩石具有各向异性特征,那么图8-22的试验结果是容易理解的。

图8-22 圆盘高径比对劈裂强度的影响

表示平均值)

另一个问题是,圆盘试样内各处应力不等,劈裂试验中最大载荷对应于哪一点的极限承载,需要确认。这在第8章8.1节已经说明。

巴西劈裂的尺寸效应和形状效应也是需研究的问题。图8-23 是文献[29]进行的石灰岩试验结果。直径70mm、高径比0.5~2.0 的试样,每级3~4个试样,共26个。高径比增大强度具有降低趋势。这可能与加载不均匀有关。图8-24是直径45~80mm、高径比1的试样,每级4个试样,共24个。试样直径对劈裂强度没有明显作用。

图8-23 试样高径比对巴西劈裂强度的影响[29]

图8-24 试样直径对巴西劈裂强度的影响[29]

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