一种岩石抗拉强度的测试方法技术

本发明专利技术公开了一种岩石抗拉强度的测试方法，包括以下步骤：步骤一：采集真实岩样的力学参数；步骤二：建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有直径为d的圆柱形通孔的试件模型，计算在对称压应力作用下最大拉应力与试件模型厚度的关系，找到最大拉应力对应的试件模型厚径比m

A test method of rock tensile strength

【技术实现步骤摘要】
一种岩石抗拉强度的测试方法
本专利技术涉及岩石力学
，特别是一种岩石抗拉强度的测试方法。
技术介绍
岩石的抗拉强度是在拉伸荷载作用下岩样所能承受的最大拉应力，其值远低于岩石抗压强度，所以岩体工程往往从拉应力较大的区域开始破坏。确定岩石抗拉强度对于确定岩体工程设计、施工方案，确保工程安全具有重大意义。岩石拉伸破坏试验分为直接拉伸试验和间接拉伸试验两种。岩石直接拉伸试验虽然更加符合岩石实际受拉情况，但由于试件制备困难、夹具与试件接触处易出现应力集中、拉伸过程中可能存在偏心等不足，导致岩石直接拉伸试验实施困难。受限于岩石直接拉伸试验的不足，以巴西试验为代表的岩石间接拉伸试验涌现出来。对于巴西试验，依然存在加载点处应力集中、偏心加载等缺陷，导致试验结果一直受到学术界的质疑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种简单、有效的岩石抗拉强度的测试方法，以避免岩石直接拉伸试验和巴西试验在技术上的困难，能够精确测量岩石抗拉强度，获得岩石抗拉强度的真实值。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种岩石抗拉强度的测试方法，包括以下步骤：步骤一：采集真实岩样的力学参数，所述的力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、体积模量K和剪切模量G。采集方法为：进行室内试验，测试真实岩样的弹性模量和泊松比，计算体积模量和剪切模量。具体的，取待测真实岩样进行室内岩石变形试验，测量岩样的弹性模量E和泊松比μ，并将弹性模量E和泊松比μ代入弹性力学公式分别计算岩样的体积模量K和剪切模量G。其中，岩样的体积模量K、剪切模量G可以分别表示为：K＝E/3(1-2μ)，G＝E/2(1+μ)，式中E为岩样弹性模量，μ为岩样的泊松比。步骤二：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D(FastLagrangianAnalysisofContinua)建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔的试件模型，利用数值软件计算试件模型在对称压应力作用下最大拉应力与试件模型厚度的关系，找到最大拉应力对应的试件模型厚径比mk，所述的厚径比为试件模型的厚度t与圆柱形通孔的直径d的比值。具体如下：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度l＝24cm、高度h＝24cm的试件模型，并在试件模型中心开挖一个直径d＝3cm，厚度与试件模型厚度相同的圆柱形孔洞，即圆柱形孔洞沿试件模型厚度方向延伸并贯穿试件模型，试件模型的厚度分别设定为t1＝0.3cm，t2＝0.6cm，…，t19＝5.7cm，t20＝6.0cm，则试件模型的厚径比mi(厚度ti与中心圆孔直径d的比值)分别为m1＝0.1，m2＝0.2，…，m19＝1.9，m20＝2.0。在试件模型的上、下顶面施加竖向压应力fi分别为f1＝2MPa、f2＝3MPa，进行弹性求解。由弹性力学已有的理论成果可知，带圆孔薄板受对称压力时，圆孔周围在靠近载荷作用端出现最大拉应力，方向垂直于板受力的方向，即试件模型的水平向应力为拉应力，且最大水平向应力为最大拉应力。分别提取不同厚径比mi的试件模型计算后的最大水平向应力计算最大水平向应力与试件模型所施加压应力的比值绘制σxmax/f-m曲线图，找到中最大值所对应的试件厚径比mk。步骤三：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔的试件模型，且试件模型的厚径比为mk，利用数值软件FLAC3D计算不同对称压应力作用下试件模型的最大拉应力，试件模型的厚径比为步骤二中所得的mk，拟合最大拉应力与所施加压应力的关系方程，确定抗拉强度修正方程。具体如下：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度l＝24cm、高度h＝24cm的试件模型，并在试件模型中心开挖一个直径d＝3cm、厚度与试件模型厚度相同的圆柱形孔洞，即圆柱形孔洞沿试件模型厚度方向延伸并贯穿，试件模型的厚径比为步骤二中所得的mk。在试件模型的上、下表面施加竖向压应力fj，分别设定为f1＝1.0MPa，f2＝1.5MPa，…，f9＝5.0MPa，f10＝5.5MPa，分别进行弹性求解，并提取不同压应力荷载fj作用下试件模型计算后的最大水平向应力绘制σxmax/f-m曲线图，拟合σxmax与f的关系方程为：σxmax＝af+b，式中a，b是通过拟合获得的常数。方程σxmax＝af+b即为岩样抗拉强度修正方程。步骤四：根据利用数值软件计算所确定的试件厚径比mk，取真实岩样加工长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔、厚径比为mk的待测试样，进行单轴压缩试验，将试样起裂时所受的压应力代入抗拉强度修正方程即得该真实岩样的抗拉强度，具体如下：取真实岩样，加工成长度l＝24cm、高度h＝24cm的待测试样，并在试样中心开挖一个直径d＝3cm、厚度与试样厚度相同的圆柱形孔洞，即圆柱形孔洞沿试样厚度方向延伸并贯穿试样，取试样的厚径比为步骤二中所得的mk，则试样的厚度t＝mkd。将该岩样放置在试验机上进行单轴压缩试验，观察岩样破坏过程。若岩样起裂时试验机上施加的力为F，相应的在试样表明所施加的压应力为f＝F/lt，结合岩样抗拉强度修正方程则可将该岩样的抗拉强度表示为σt＝af+b，式中σt为岩石抗拉强度。进一步优选的，为避免加载边界对圆孔周围应力的影响，试件模型或试样的长度l、高度h与中心圆孔直径d的比值满足l/d≥8且h/d≥8。进一步优选的，在确定最大拉应力对应的试件厚径比时，可采用多个等级的竖向压应力fi进行弹性计算，即fi分别为f1＝2MPa、f2＝3MPa、…、fi＝nMPa,n＞3。进一步，在确定真实岩样起裂压力时，可采用高倍摄像机记录岩样破坏过程，更精确地指定岩样起裂位置和时间。本专利技术具有以下优点：本专利技术所用设备和试样简单，试验方法容易实施，试样易于制备，抗拉强度计算公式简单，试验结果可靠，有利于在实际中应用。本专利技术基于弹性力学的理论成果，最大水平向应力即为最大拉应力处，能保证试样起裂点是拉应力最大值点。本专利技术方法充分考虑了试样厚度对结果的影响，并通过数值计算获得了弹性力学中带圆孔薄板受对称压力时孔周围最大拉应力的修正公式，所得结果更准确。本专利技术方法中使用的岩石试件加工工艺简单，有利于保证试验结果的一致性。本专利技术方法中使用的岩石试件外形规则，便于加载，试验干扰小，试验结果离散性小。本专利技术方法中得到的岩石抗拉强度计算公式简单，有利于在实际中应用。本专利技术巧妙地利用了弹性力学中带圆孔薄板受对称压力时孔周围应力分布规律，可以保证圆孔周围在靠近载荷作用端出现最大拉应力，并在该区域岩样最先开裂。所采用的试样为外方内圆，方便载荷的施加，避免了在加载点处应力集中或偏心加载情况的出现。附图说明图1为本专利技术岩石抗拉强度测试方法的步骤流程图。图2为本专利技术试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石抗拉强度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤一：采集真实岩样的力学参数，所述的力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、体积模量K和剪切模量G；/n步骤二：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔的试件模型，计算试件模型在对称压应力作用下最大拉应力与试件模型厚度的关系，找到最大拉应力对应的试件模型厚径比m

【技术特征摘要】
1.一种岩石抗拉强度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采集真实岩样的力学参数，所述的力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、体积模量K和剪切模量G；
步骤二：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔的试件模型，计算试件模型在对称压应力作用下最大拉应力与试件模型厚度的关系，找到最大拉应力对应的试件模型厚径比mk，所述的厚径比为试件模型的厚度t与圆柱形通孔的直径d的比值；
步骤三：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔的试件模型，且试件模型的厚径比为mk，计算不同对称压应力作用下试件模型的最大拉应力，拟合最大拉应力与所施加压应力的关系方程，确定抗拉强度修正方程；
步骤四：根据利用数值软件计算所确定的试件厚径比mk，取真实岩样加工长度为l、高度为h、厚度为t、中心开挖有一个沿厚度方向延伸且直径为d的圆柱形通孔、厚径比为mk的待测试样，进行单轴压缩试验，将试样起裂时所受的压应力代入抗拉强度修正方程即得该真实岩样的抗拉强度。


2.根据权利要求1所述的一种岩石抗拉强度的测试方法，其特征在于：所述的步骤一包括：进行室内试验，测试真实岩样的弹性模量和泊松比，计算体积模量和剪切模量。


3.根据权利要求2所述的一种岩石抗拉强度的测试方法，其特征在于：取待测真实岩样进行室内岩石变形试验，测量岩样的弹性模量E和泊松比μ，并将弹性模量E和泊松比μ代入弹性力学公式分别计算岩样的体积模量K和剪切模量G，其中，岩样的体积模量K、剪切模量G可以分别表示为：K＝E/3(1-2μ)，G＝E/2(1+μ)，式中E为岩样弹性模量，μ为岩样的泊松比。


4.根据权利要求1所述的一种岩石抗拉强度的测试方法，其特征在于：所述的步骤二包括：根据采集的真实岩样的力学参数，利用数值软件FLAC3D建立长度l＝24cm、高度h＝24cm的试件模型，并在试件模型中心开挖一个直径d＝3cm，厚度与试件模型厚度相同的圆柱形孔洞，即圆柱形孔洞沿试件模型厚度方向延伸并贯穿试件模型，试件模型的厚度分别设定为t1＝0.3cm，t2＝0.6cm，…，t19＝5.7cm，t20＝6.0cm，则试件模型的厚径比mi分别为m1＝0.1，m2＝0.2，…，m19＝1.9，m20＝2.0，所述的厚径比mi为厚度ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴宗，孙润，李飞，修典涛，王辰，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37