巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论EI北大核心CSCD

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,(1)层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;(2)不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;(3)当层理角度0°<β<90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式(1)计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;(4)当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

热处理砂岩不同接触角巴西劈裂数值模拟研究

基于颗粒流程序（particle flow code,PFC）,对不同接触角（2a = 6º～30º）条件下25～1 000 ℃砂岩进行巴西劈裂模拟试验,研究其应力分布和破裂模式,并将巴西劈裂与直接拉伸进行对比。研究表明：（1）巴西劈裂中,面接触加载可以降低端部效应,加载过程中首先在圆盘中部产生拉裂纹,随着荷载的升高,拉裂纹汇集、扩展、贯通。（2）平板点接触巴西劈裂测得的抗拉强度小于直接拉伸强度,其抗拉强度计算公式的修正系数k随温度T的升高线性减小,满足k = −3.303×10⁻⁴T+1.468。随着接触角的增大,不同温度处理后巴西圆盘的抗拉强度均呈现出增大的趋势。（3）在2a≥18º时,巴西圆盘可以保证中心起裂;2a = 18º～24º时,圆盘在不同温度下破裂模式稳定;在接触角过大（2a = 30º）时,圆盘在较低温度（≤600 ℃）下会形成倾斜裂纹。（4）结合修正系数和破裂模式分析,推荐接触角为18º～24º时,修正系数在0.802 6～ 0.856 0之间,可以保证所有温度试样中心起裂且破裂模式稳定。     

巴西圆盘试验问题与三维抗拉强度准则

巴西圆盘抗拉强度公式是基于弹性力学平面问题解析解,利用最大拉应力准则得到的,但结果与直接拉伸试验得到的强度有较大的差异。根据10种岩石（煤）的直接拉伸试验与弧形劈裂试验数据,分析了弧形加载面积对应圆心角对试样3维应力状态的影响规律,并采用三维抗拉强度准则来分析巴西试样,结果表明此准则更适合于巴西圆盘试验。     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究

基于不同层理角度的页岩巴西劈裂试验,利用高速摄像系统和声发射系统,对页岩力学特性、裂纹扩展及声发射特征的层理效应进行了深入研究。结果表明：（1）页岩巴西劈裂破坏过程可以分为压密、弹性和破坏3个阶段;（2）页岩抗拉强度、劈裂模量和应力峰值时变形的各向异性特征明显,层理角度 30°时,层理效应最为明显, 90°时影响最小;（3） 0°和 15°时试样的裂纹破坏面基本是沿着层理面, 30°时裂纹面交切层理面,与加载基线面重合, 45°～90°的各试样的断裂面呈不同程度的偏离加载基线面,为弧面或曲面;（4） 30°和 45°为破坏机制转化角,其中 30°为沿着层理面压致性张拉开裂转化为交切层理面开裂的转化角, 45°为交切层理面开裂转化为交切层理面且沿着层理面不同程度的剪切滑移开裂的转化角;（5）声发射活动性和能量释放随层理角度的增加而加强,主要因为受层理角度的影响,其破坏机制不同,这也进一步验证了页岩随层理角度的变化,其破坏机制的各向异性。能率峰值与抗拉强度具有很好的线性关系,表明声发射能率峰值能很好地反映岩石抗拉伸破坏的程度。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

平台巴西劈裂试验确定岩石抗拉强度的理论分析

为了完善平台巴西劈裂试验测定岩石抗拉强度的理论基础,基于二维弹性理论,建立对弦载荷下的平台巴西劈裂力学模型,采用应力场叠加法求得圆盘内的应力近似解析解。该应力理论解与有限元数值解一致,证明理论求解的合理性。在此基础上,对比研究了平台加载角对圆盘内应力大小及应力集中程度的影响,其结果表明：平台加载角越大,圆盘加载处的应力集中程度和压拉应力比都急剧降低,而圆盘内的拉应力值和拉伸区却只有一定程度减小;过大或过小的平台加载角都不利于平台巴西试样发生中心拉伸劈裂破坏,其最优平台加载角在20°~30°之间。最后,依据Griffith强度破坏准则,推得岩石抗拉强度的理论计算公式,其结果与已有抗拉强度经验公式及试验所得抗拉强度相符较好。     

层状含水页岩的抗拉强度特性试验研究

为分析层理和水对页岩的抗拉强度特性的影响,现场选取龙马溪组黑色页岩制备成4种含水状态含层理页岩,沿与层理呈0°、30°、60°和90°夹角加载进行巴西劈裂圆盘试验,试验过程同步进行声发射测试,并采用离散元软件3DEC对试验结果进行数值模拟验证。结果表明,相比于含层理页岩,同时考虑含水和层理的页岩在巴西劈裂试验中有其独特的破坏模式和力学特性。含层理页岩的巴西劈裂破坏模式和抗拉强度均与层理角度和含水率有关,破坏模式主要受控于层理与荷载的加载方向,水虽不会影响其破坏模式但能够导致次生裂纹的形成。抗拉强度则表现出随层理角度的增加而先减小后增大,随含水率的增加而减小的趋势。并且,在页岩同时受水和层理损伤作用时,受层理损伤程度越大,水对其损伤程度也越高。通过对含层理不同含水率页岩的微观结构分析得到了上述变化规律的内在机制,即页岩层理面处的内部矿物颗粒遇水膨胀,产生膨胀力作用,使页岩内部结构变得松散、破碎,微裂纹逐渐增多、变宽,宏观表现为次生裂纹的增多,矿物颗粒间的黏结力也在水的作用下降低从而使页岩的抗拉强度下降。     

基于颗粒离散元模型的不同加载速率下花岗岩数值试验研究

不同加载速率条件下岩石的力学特性,对于其动载下破裂内在机制的研究具有积极的意义。基于颗粒流理论,通过黏结颗粒模型（bonded particle model,简称BPM）虚拟实现不同加载速率0.001～0.500 m/s下花岗岩单轴压缩和巴西劈裂试验,定量分析加载速率对应力-应变、破裂形态、应变能率及声发射的影响。结果表明：单轴抗压强度和抗拉强度及其对应峰值应变随加载速率增加而非线性增长;单轴压缩作用下,随加载速率增加,试样由单一斜截面破坏向多斜截面破坏转变,且主控裂隙带宽度急剧增大,由裂纹数量及水平向高应变率区域变化规律可明显看出,试样破坏程度随着加载速率增加而逐渐加剧;巴西劈裂作用下试样从一条主控裂隙向多条主控裂隙转变,且裂纹向圆盘试样两侧边缘部分延伸,破坏程度加剧;单轴压缩和巴西劈裂作用下,声发射事件及应变能率均随加载速率增加而呈现出非线性增长趋势。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

Experimental and Numerical Studies on Determination of Indirect Tensile Strength of Rocks

Indirect tension tests using Brisbane tuff Brazilian disc specimens under standard Brazilian jaws and various loading arcs were performed. The standard Brazilian indirect tensile tests caused catastrophic, crushing failure of the disc specimens, rather than the expected tensile splitting failure initiated by a central crack. This led to an investigation of the fracturing of Brazilian disc specimens and the existing indirect tensile Brazilian test using steel loading arcs with different angles. The results showed that the ultimate failure load increased with increasing loading arc angles. With no international standard for determining indirect tensile strength of rocks under diametral load, numerical modelling and analytical solutions were undertaken. Numerical simulations using RFPA^2D software were conducted with a heterogeneous material model. The results predicted tensile stress in the discs and visually reproduced the progressive fracture process. It was concluded that standard Brazilian jaws cause catastrophic, crushing failure of the disc specimens instead of producing a central splitting crack. The experimental and numerical results showed that 20° and 30° loading arcs result in diametral splitting fractures starting at the disc centre. Moreover, intrinsic material properties (e.g. fracture toughness) may be used to propose the best loading configuration to determine the indirect tensile strength of rocks. Here, by using numerical outcomes and empirical relationships between fracture toughness and tensile strength, the best loading geometry to obtain the most accurate indirect tensile strength of rocks was the 2α?=?30° loading arc.     

Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

Indirect tensile test assessments for rock materials using 3-D disc-type specimens

Indirect test methods are usually the preferred approach for determining the tensile strength of brittle and quasi-brittle materials such as ceramics, rocks, and concrete. In this paper, the tensile strength of a rock material (Iranian Harsin marble) was obtained indirectly by means of two disc type samples. The test samples were the well-known Brazilian disc and semi-disc specimen under three-point bend loading. Since the existing formula for determining the indirect tensile strength is based on 2-D stress assumption which ignores the effects of specimen thickness, a general 3-D tensile strength formulation was derived for each sample by employing finite element analysis. A series of tensile strength tests were conducted on Harsin white marble using disc and semi-disc specimens with different thicknesses in parallel to finite element analysis. The test results using 3-D formulation showed that the tensile strength of the tested marble depends on the thickness/diameter ratio of the specimen and generally decreases from 11.5 to 7 MPa on increasing the thickness of test samples. The average values of tensile strength were about 8.8 MPa for the Brazilian disc specimen and 9.8 MPa for the semi-disc specimen. The good agreement existing between the results of the two specimens suggests that the semi-disc specimen can also be used for determining the rock tensile strength in addition to using the conventional Brazilian test.     

基于单三轴试验与直剪试验的层状软岩模拟

为探究模型试验中层状软岩模拟方法,依托九绵高速层状软岩隧道现场取样的室内试验结果,多次试验确定重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水的最优配比以模拟软岩基体,采用带孔薄膜模拟层理弱面的黏结作用,并通过直剪试验确定孔隙率,最后对不同层理角度与层理厚度的试样开展直剪与单、三轴试验以反映各向异性情况。结果表明：软岩基体模拟最优配比为0.55:0.15:0.07:0.06:0.17,重晶石粉对强度及破坏变形起决定作用,含量过低易压溃,含量过高产生上下贯通裂缝;采用30%孔洞率的薄膜模拟层理效果最佳;土样强度随层角呈U形变化,层厚减小（不小于2 cm）,强度减小。直剪试验中,45º层理剪切面朝层理方向倾斜,90º层理导致剪切面上下产生裂缝与碎裂,单三轴结果中,0º层理会产生小角度倾斜裂缝,45º层理产生垂直层理面的斜裂缝及二次破裂,90º层理产生顺层理的竖向劈裂;与现场结果对照后确定最优层厚为 3 cm,对层角与层厚的直剪与单三轴试验结果整体一致,揭示土样孔隙压密闭合−弹性−塑性胀裂破坏−徐变的过程。