CN103499493A - 一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，将圆柱型试样安装在常规的压缩试验机上，并施加压力载荷直至试样破坏。在试样出现剪切破坏的情况下，利用所得到的抗压强度σ_c-shear、材料的泊松比μ、试样剪切面和垂直加载方向的夹角β，按下式计算得到试样发生劈裂破坏的时抗压强度σ_c-spalling：

利用本发明方法，能够根据常规压缩试验中试样发生剪切破坏时的压缩强度，获得压缩试验中试样发生劈裂破坏时的抗压强度，填补了该研究领域内的空白。

Description

一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，涉及一种利用圆柱型试样测试脆性材料劈裂抗压强度的方法。

背景技术

岩石等脆性材料在压缩载荷作用下，通常会出现两种破坏模式：剪切破坏和劈裂破坏。对于剪切破坏，利用莫尔库伦准则已经可以得到解释。但是对于劈裂破坏的机理，目前还没有相应的破坏准则。从已有的试验结果来看，脆性材料受压条件下发生剪切破坏时的抗压强度值和发生劈裂破坏时的抗压强度值存在明显区别。但是以往的试验以及研究往往忽视这一点，而是把两者所得的抗压强度值混在一起来衡量材料的抗压特性。

脆性材料在受压状态下发生破坏，通常情况下会形成剪切破坏面(附图1所示)，即破坏面和加载方向之间存在一定角度。但是，有时也会出现破坏面平行于加载方向的劈裂破坏形式。目前对于脆性材料的剪切破坏，已经利用莫尔库伦准则进行了解释。但是利用莫尔库伦准则应用于劈裂破坏形式的解释时，得不到合理的结果。另外，人们在很多工程现场发现，地下洞室、巷道侧壁经常发生片帮、劈裂或板裂的破坏形式，甚至造成极大的动力灾害，如岩爆等。在这些情况下，发生破坏的围岩最大主应力或最大切向应力远远低于岩石的单轴抗压强度值(此时抗压强度值一般指岩样发生剪切破坏时的强度值)。对此现象暂时也没有很好的解释。经过分析，认识到材料受压发生剪切破坏和劈裂破坏时存在很大区别。因此，有必要涉及一种根据材料发生剪切破坏时的抗压强度来确定发生劈裂破坏时的抗压强度的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，该确定脆性材料劈裂抗压强度的方法所确定的脆性材料劈裂抗压强度更准确地反映材料的特性，填补了本领域的空白。

发明的技术解决方案如下：

一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，将试样安装在常规的压缩试验机上，并对该试样施加压力载荷直至试样破坏；

在试样出现剪切破坏(剪切破坏即试样内部破裂面和加载方向成一定角度的破裂方式)的情况下，利用所得到的剪切抗压强度σ_c-shear、试样材料的泊松比μ、试样剪切面和垂直加载方向的夹角β，按下式计算得到试样发生劈裂破坏(劈裂破坏即破裂内部破裂面平行于加载方向的破裂方式)时的抗压强度σ_c-spalling：

${\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{spalling}}={\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{shear}}\·\frac{1}{\mathrm{\μ}}\·\frac{1-\sin (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}{2\cos (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}.$

所述的试样为圆柱型试样。

所述的剪切破坏包括单剪面破坏和共轭双剪破坏。

有益效果：

本发明的确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，利用本发明方法，能够根据常规压缩试验中试样发生剪切破坏时的压缩强度，获得压缩试验中试样发生劈裂破坏时的抗压强度，填补了该研究领域内的空白。

附图说明

图1为圆柱形试样因受力发生剪切破坏时的示意图；

图2为图2圆柱形试样的结构示意图。

图中σ₁-轴向压缩应力，β-试样剪切面和垂直加载方向的夹角，a-b面-试样发生破坏的剪切面。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

实施例1.在常规压缩试验装置上进行试样的单轴压缩试验时，选取外部直径为50mm、高度为100mm的圆柱型试样(见图2)。将试样垂直放在水平板上施加压缩载荷直至试样破坏，竖向加载应力为σ_y，材料弹性模量为E，则竖向应变为ε_y＝σ_y/E。材料泊松比用μ表示时，则垂直加载方向的应变为ε_x＝με_y，垂直加载方向上的拉力则为

σ_x＝Eε_x＝Eμε_y＝μσ_y

发生板裂破坏时，按照试样垂直于加载方向上的拉力大于试样材料的粘聚力的原理，有

σ_x＝c

换算后为

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{c}{\mathrm{\μ}}$

即此时所得到的劈裂抗压强度σ_c-spalling为

${\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{spalling}}=\frac{c}{\mathrm{\μ}}$

对于粘聚力c，可以根据圆柱形试样单轴压缩发生剪切破坏时的试验(图1)，结合莫尔库伦准则得到

$c={\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{shear}}\·\frac{1-\sin (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}{2\cos (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}$

因此，常规压缩试验中试样发生剪切破坏时的抗压强度和压缩试验中试样发生劈裂破坏时的抗压强度之间存在如下关系， ${\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{spalling}}={\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{shear}}\·\frac{1}{\mathrm{\μ}}\·\frac{1-\sin (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}{2\cos (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)};$

在计算时，即利用常规压缩试验中试样发生剪切破坏时的抗压强度σ_c-shear、岩石材料的泊松比μ和试样剪切面和垂直加载方向的夹角β，可得到材料发生劈裂破坏时的抗压强度σ_c-spalling。

式中：抗压强度σ_c-shear为试样剪切破坏时测到的抗压强度值，μ为材料的泊松比，β为试样剪切面和垂直加载方向的夹角。

σ_c-shear可以在测试过程结束后直接可以通过应力应变曲线得到【σ_c-shear采用常规方法获得，为现有技术】，μ可以利用常规的单轴压缩试验测量得到，β可以利用半圆仪测量得到。

Claims (3)

1.一种确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，其特征在于，将试样安装在常规的压缩试验机上，并对该试样施加压力载荷直至试样破坏；

在试样出现剪切破坏的情况下，利用所得到的剪切抗压强度σ_c-shedr、试样材料的泊松比μ、试样剪切面和垂直加载方向的夹角β，按下式计算得到试样发生劈裂破坏时的抗压强度σ_c-spalling：

${\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{spalling}}={\mathrm{\σ}}_{c-\mathrm{shear}}\·\frac{1}{\mathrm{\μ}}\·\frac{1-\sin (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}{2\cos (2\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/2)}.$

2.根据权利要求1所述的确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，其特征在于，所述的试样为圆柱型试样。

3.根据权利要求1或2所述的确定脆性材料劈裂抗压强度的方法，其特征在于，所述的剪切破坏包括单剪面破坏和共轭双剪破坏。