一种测量拉伸条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法

摘要

本发明公开了一种测量拉伸条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法，其步骤：A、巴西圆盘劈裂法将经加工的圆盘状试件，横置于压力机的承压板间，在试件的上、下承压板间各放置硬质钢丝，垫条与试件的对称面垂直，对上、下承压板施加压力，使试件产生垂直与上、下荷载作用方向的张拉力；B、结合巴西劈裂法的具体情况，用经典弹性力学中的虎克定律进行分析；C、分析巴西圆盘劈裂法中岩样的受力情况及测量的原理；D、由受力状态得到，根据虎克定律得到应力方向对应的应变，测得和，获得该岩样的弹性参数，达到在岩样的中心位置放置应变片来测量、。方法易行，操作简便，具有原理清晰，使用简便，材料消耗少等优点，适合广泛推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及巴西劈裂法测量岩石的抗拉强度更具体涉及一种测量拉破坏条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法，该方法简单，原理清晰，在获得拉破坏强度的同时能够反映岩石在拉破坏下的弹性性质。众所周知，岩石材料的抗拉性质和抗压性质有着很大的差异性，而在目前的岩石力学热点问题中，越来越关注岩石的拉破坏所表现出来的特殊性质。本发明专利针对岩石的拉破坏，对巴西劈裂法进行简单的改进，从而获得岩石的抗拉强度以及在拉破坏下的弹性模量E和柏松比μ。

背景技术

目前，随着我国大型水利水电以及采矿工程不断向深部发展，岩石力学不断面对新的问题。岩石的抗拉强度是一个重要岩石的力学参数，它不仅反映岩石的力学性质，还是分析岩体稳定性的重要指标。在工程实际中面临的岩爆、岩芯饼化等新的热点问题中，特别是在深部岩体工程中，岩石的破坏形式向着更加复杂的拉破坏或拉剪破坏发展，岩石的抗拉强度显得更加重要。在现有的试验中，岩石的弹性参数一般由单轴压缩试验或者三轴压缩试验来确定，在压破坏下的岩石弹性参数带有明显的压破坏特点，用这样的弹性参数来解释在拉应力条件下产生的破坏及工程现象显然是不够科学的。为此，本发明专利在原有的巴西劈裂法的基础上通过简单的改进，在经典弹性力学的理论指导下，获得岩石在拉破坏下的弹性参数。

在目前的室内实验中，岩石抗拉强度的测试方法通常采用直接拉伸法和巴西圆盘劈裂法(Brazilian test)。巴西圆盘劈裂法由于不受夹具的限制，简单可靠，故目前应用较为广泛。巴西圆盘劈裂法可以获得岩石的抗拉强度，而岩石的弹性参数需要由另外的室内试验或者现场原位实验来获得。本试验方法在巴西圆盘劈裂法的基础上进行改进，通过简单的力学分析同时获得岩石的弹性参数，具有易于开展、实用经济的特点。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种测量拉伸条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法，方法易行，操作简便，该方法利用传统的巴西劈裂法试验可以同时获得岩石的抗拉强度和在岩样的拉破坏下的弹性参数(弹性模量E，柏松比μ)，具有原理清晰，使用简便，材料消耗少等有点，适合广泛推广应用。

一种测量拉伸条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法，其理论基础是经典的弹性力学理论，其步骤如下：

A、巴西圆盘劈裂法(Brazilian test)将经加工的圆盘状试件，横置于压力机的承压板间，并且在试件的上、下承压板间各放置一根直径为2mm的硬质钢丝作为垫条，垫条与试件的对称面垂直。对上、下承压板施加压力，使试件产生垂直与上、下荷载作用方向的张拉力，直至试件破坏。由该试验方法的力学特点，岩石的抗拉强度可表示为：

${\sigma }_1=-\frac{2P}{\mathrm{\pi D}}---\left(1\right)$

式中σ₁——岩石的抗拉强度(即第一主应力)

P——劈裂荷载值

D——岩样的直径

π——圆周率

同时：

${\sigma }_2=\frac{6P}{\mathrm{\pi D}}---\left(2\right)$

式中σ₂——岩样的第二主应力

P——劈裂荷载值

D——岩样的直径

π——圆周率

B、引用经典的力学理论代入到巴西劈裂模型中，经典弹性力学中的虎克定律：

${ϵ}_1=\frac{1}{E}[{\sigma }_1-\mu ({\sigma }_2+{\sigma }_3)]---\left(3\right)$

${ϵ}_2=\frac{1}{E}[{\sigma }_2-\mu ({\sigma }_2+{\sigma }_3)]---\left(4\right)$

${ϵ}_3=\frac{1}{E}[{\sigma }_3-\mu ({\sigma }_1+{\sigma }_2)]---\left(5\right)$

式中σ₁、σ₂、σ₃——分别为岩样的第一主应力、第二主应力、第三主应力；

ε₁、ε₂、ε₃——分别为岩样的第一主应变、第二主应变、第三主应变；

E——岩样的杨氏模量；

μ——岩样的泊松比；

由虎克定律可以得到应变值为公式(3)、(4)，结合巴西劈裂法是实际情况可知，岩样的第一主应力、第二主应力方向应在圆截面上，第三主应力为零，相应的第一主应力、第二主应力、第三主应力方向对应第一主应变、第二主应变、第三主应变的方向，且在第三主应变的方向上应变不为零。由于ε₃与本发明的结论无关，因此忽略ε₃。

C、巴西圆盘劈裂法中岩样由受力状态可以分析得到σ₃＝0，即在圆柱状岩样的轴线方向的应力为零。在岩样的截面圆上，在任意一个截面上是平面应力状态，两个主应力的方向分别是平行于夹具的方向和垂直于夹具的方向。

在任意一个截面上，很容易获得了在巴西劈裂试验中岩样相应的变形情况，由于是平面应力问题，在圆柱形的洞轴线方向的应变ε₃可以不考虑，在截面的两个主应变ε₁、ε₂方向应变与主应力方向σ₁、σ₂一致。那么在附图中贴应变片的位置则可以获得在端面这个截面上在主应变ε₁、ε₂方向的变形。

D、根据前文所列的虎克定律(3)、(4)、(5)可以得到在图(2)中所示的应变计算公式可直接换算成为下式：

${ϵ}_1=-\frac{2P}{\mathrm{\pi DE}}(1+3\mu )---\left(6\right)$

${ϵ}_2=\frac{2P}{\mathrm{\pi DE}}(3+\mu )---\left(7\right)$

对(6)、(7)进行公式变换就可以直接得到岩样的弹性模量E，柏松比μ：

$E=\frac{16P}{\mathrm{\pi D}({3ϵ}_2+{ϵ}_1)}---\left(8\right)$

$\mu =-\frac{{3ϵ}_1+{ϵ}_2}{{3ϵ}_2+{ϵ}_1}---\left(9\right)$

因此，只要测得ε₁和ε₂，即可根据式(8)和(9)获得该岩样的弹性参数。达到该目的只需在岩样的中心位置放置应变片来测量ε₁、ε₂即可。该方法简单实用，经济有效，只需将原有的试验方法略加改进，通过弹性力学的知识便可获得岩石的力学参数，适合广泛推广应用，该试验改进后通过力学计算不仅可以获得岩样的抗拉强度，还可以获得在拉破坏下岩样的弹性模量E，柏松比μ。

本发明与其他获得岩石力学参数或岩石抗拉强度的试验方法相比具有以下优点：

(1)本发明简便实用，经济有效，在原有的已经广泛应用的巴西圆盘劈裂法的基础上略加改进，便可同时获得岩石的抗拉强度，以及在拉破坏下岩样的弹性参数，其中具体指弹性模量E，柏松比μ。

(2)传统的在室内获得岩石的力学参数的方法一般是通过几组岩样的单轴抗压强度或者三轴抗压强度试验结果来分析获得，在实际工程中，许多复杂的岩体失稳并不是岩石的压破坏，而是拉破坏。故在拉破坏的前提下获得的岩石弹性参数在一定程度上更加能够反映岩石力学工程中的实际问题。

附图说明：

图1为一种巴西劈裂法测量ε₁的电阻应变片布置图

图2为一种巴西劈裂法测量ε₂的电阻应变片布置图

其中：P一劈裂荷载值、D一岩样的直径。

具体实施方式

实施例1：

一种测量拉伸条件下岩石弹性参数的巴西劈裂方法，其步骤如下：

A、巴西圆盘劈裂法(Brazilian test)将经加工的圆盘状试件，横置于压力机的承压板间，并且在试件的上、下承压板间各放置一根直径为2mm的硬质钢丝作为垫条，垫条与试件的对称面垂直。对上、下承压板施加压力，使试件产生垂直与上、下荷载作用方向的张拉力，直至试件破坏。由该试验方法的力学特点，岩石的抗拉强度可表示为：

${\sigma }_1=-\frac{2P}{\mathrm{\pi D}}---\left(1\right)$

式中σ₁——岩石的抗拉强度(即第一主应力)

P——劈裂荷载值

D——岩样的直径

π——圆周率

同时：

${\sigma }_2=\frac{6P}{\mathrm{\pi D}}---\left(2\right)$

式中σ₂——岩样的第二主应力

P——劈裂荷载值

D——岩样的直径

π——圆周率

B、引用经典的力学理论代入到巴西劈裂模型中，经典弹性力学中的虎克定律：

${ϵ}_1=\frac{1}{E}[{\sigma }_1-\mu ({\sigma }_2+{\sigma }_3)]---\left(3\right)$

${ϵ}_2=\frac{1}{E}[{\sigma }_2-\mu ({\sigma }_1+{\sigma }_3)]---\left(4\right)$

${ϵ}_3=\frac{1}{E}[{\sigma }_3-\mu ({\sigma }_1+{\sigma }_2)]---\left(5\right)$

式中σ₁、σ₂、ε₃——分别为岩样的第一主应力、第二主应力、第三主应力；

ε₁、ε₂、ε₃——分别为岩样的第一主应变、第二主应变、第三主应变；

E——岩样的杨氏模量；

μ——岩样的泊松比；

由虎克定律可以得到应变值为公式(3)、(4)，结合巴西劈裂法是实际情况可知，岩样的第一主应力、第二主应力方向应在圆截面上，第三主应力为零，相应的第一主应力、第二主应力、第三主应力方向对应第一主应变、第二主应变、第三主应变的方向，且在第三主应变的方向上应变不为零。由于ε₃与本发明的结论无关，因此忽略ε₃。

C、巴西圆盘劈裂法中岩样由受力状态可以分析得到σ₃＝0，即在圆柱状岩样的轴线方向的应力为零。在岩样的截面圆上，在任意一个截面上是平面应力状态，两个主应力的方向分别是平行于夹具的方向和垂直于夹具的方向。

在任意一个截面上，很容易获得了在巴西劈裂试验中岩样相应的变形情况，由于是平面应力问题，在圆柱形的洞轴线方向的应变ε₃可以不考虑，在截面的两个主应变ε₁、ε₂方向应变与主应力方向σ₁、σ₂一致。那么在附图中贴应变片的位置则可以获得在端面这个截面上在主应变ε₁、ε₂方向的变形。

D、根据前文所列的虎克定律(3)、(4)、(5)可以得到在图(2)中所示的应变计算公式可直接换算成为下式：

${ϵ}_1=-\frac{2P}{\mathrm{\pi DE}}(1+3\mu )---\left(6\right)$

${ϵ}_2=-\frac{2P}{\mathrm{\pi DE}}(3+\mu )---\left(7\right)$

对(6)、(7)进行公式变换就可以直接得到岩样的弹性模量E，柏松比μ：

$E=\frac{16P}{\mathrm{\pi D}({3ϵ}_2+{ϵ}_1)}---\left(8\right)$

$\mu =-\frac{{3ϵ}_1+{ϵ}_2}{{3ϵ}_2+{ϵ}_1}---\left(9\right)$

因此，只要测得ε₁和ε₂，即可根据式(8)和(9)获得该岩样的弹性参数。达到该目的只需在岩样的中心位置放置应变片来测量ε₁、ε₂即可。该方法简单实用，经济有效，只需将原有的试验方法略加改进，通过弹性力学的知识便可获得岩石的力学参数，适合广泛推广应用，该试验改进后通过力学计算不仅可以获得岩样的抗拉强度，还可以获得在拉破坏下岩样的弹性模量E，柏松比μ。