CN105158070A - 一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，包括在圆盘试样正反面的中心处分别粘贴水平应变片和竖直应变片；将圆盘试样放置于压力机上，进行巴西盘试验，采用压力传感器监测加载力P，采用水平应变片和竖直应变片分别监测圆盘试样中心的横向应变ε_x和竖向应变ε_y；按下式计算得到岩石的拉伸模量和压缩模量：<maths num="0001"></maths><maths num="0002"></maths>式中：E_x和E_y分别表示岩石的拉伸模量和压缩模量，P为外部荷载，D为圆盘直径，L为圆盘厚度，ν_yx表示y方向应力引起的x方向横向变形系数，ε_x和ε_y分别表示圆盘中心横向应变和竖向应变。通过一次试验在同一岩石试样上可以测得该岩石的拉伸模量和压缩模量，试验方法简单宜行，数据精确可靠，结果更具科学性。

Description

一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法

技术领域

本发明属于岩石力学领域，尤其涉及一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法。

背景技术

岩石在载荷作用下，首先发生的物理现象是变形，随着载荷的不断增加，岩石变形逐渐增大，最终发生破坏，因此，岩石变形能力是其最重要的力学性能之一。岩石变形参数通常用弹性模量、泊松比等量表示，弹性模量是指材料在单向受拉或受压时，轴向应力和轴向应变之间的比，反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力；泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向应变与轴向应变的绝对值之比，它反映了材料的横向变形能力。

测试岩石变形参数的理论基础来源于弹性力学理论。理论上讲，只要我们可以计算出材料的应力状态，并测得其应变，即可根据广义胡克定律计算出材料的弹性模量和泊松比。人们通常采用单轴压缩试验来获得岩石的弹性模量和泊松比，外力可以通过压电元件测得，材料内部的应力可以通过计算得到，而材料表面的应变可以很方便地通过电阻应变仪测得，或者通过位移测量结果来计算。

其实，我们还可以有更多测试弹性模量和泊松比的试验方法。例如巴西圆盘试验，它在1978年被国际岩石力学学会推荐为测定岩石抗拉强度的标准方法，也可以用来测定岩石的弹性模量和泊松比，因为它们的理论基础都是岩石在荷载作用下应力分布。

已经有学者利用巴西盘研究岩石的拉伸特性，但研究表明，岩石的拉伸模量与压缩模量往往是不同的，分别利用单轴拉伸和压缩试验进行应力应变关系的测定，可以获得岩石的拉伸模量和压缩模量，但存在如下问题：一是直接拉伸试验存在技术上的困难，从而导致误差较大，甚至试验失败；二是由于同种岩石试样的性质往往也有差异，将由不同试件分别测出的拉伸模量和压缩模量进行比较不够科学，无法得到同一试样的拉伸模量和压缩模量。

因此，有必要设计一种更好的试验方法来测得岩石的拉伸模量和压缩模量，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过一次试验，在同一试件上获得其拉伸模量和压缩模量的一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，包括：

步骤一：在圆盘试样正反面的中心处分别粘贴水平应变片和竖直应变片；

步骤二：将所述圆盘试样放置于压力机上，进行巴西盘试验，采用压力传感器监测试验加载力P，采用所述水平应变片和所述竖直应变片分别监测所述圆盘试样中心的横向应变ε_x和竖向应变ε_y；

步骤三：按下式计算得到岩石的拉伸模量和压缩模量：

$E_y=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(1\right)$

$E_x=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{(3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}){\mathrm{\&epsiv;}}_x+3{\mathrm{\&nu;}}_{yx}{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(2\right)$

式中：E_x和E_y分别表示岩石的拉伸模量和压缩模量，P为外部荷载，D为圆盘直径，L为圆盘厚度，ν_yx表示y方向应力引起的x方向横向变形系数，ε_x和ε_y分别表示圆盘中心横向应变和竖向应变。

进一步，所述ν_yx通过单轴压缩实验获得。

进一步，所述圆盘试样放置于压力机的承压板之间，所述承压板与所述圆盘试样之间放置有钢质垫条。

进一步，步骤一之前先找出所述圆盘试样的中心，沿所述圆盘试样的径向方向划两条相互垂直的基线，两条基线的交点即是岩石的中心。

本发明的有益效果：

采用巴西盘试验，通过获取圆盘试验中心处的横向应变ε_x和竖向应变ε_y，再按照公式(1)和(2)算得岩石的拉伸模量和压缩模量，可以在同一岩石试件上，通过一次试验就可以测得该岩石的拉伸模量和压缩模量，试验方法简单宜行，数据精确可靠，结果更具科学性。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为试样受力和应变片布置的示意图；

图中，1—圆盘岩石、2—基线、3—水平应变片、4—竖直应变片、5—压力传感器、6—压力机、7—承压板、8—钢制垫条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1及图2，本发明一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法包括以下步骤：

步骤一：沿圆盘岩石1的径向方向划两条相互垂直的基线2，两条基线2的交点即是岩石的中心；

步骤二：分别在圆盘岩石1的正反面中心处粘贴水平应变片3和竖直应变片4，并与应变采集仪相连；

步骤三：将压力传感器5放置于压力机6的承压板7的下方，并与应变采集仪相连；

步骤四：将圆盘岩石1放置在压力机6的上、下承压板7之间，并在圆盘岩石1与承压板7之间个放置一根直径为2mm的钢质垫条8；

步骤五：先开始采集数据，再对上、下承压板7施加压力，直至圆盘岩石1破坏；

步骤六：根据测得的数据，按照下面公式(5)和(6)计算可得到岩石的拉伸模量和压缩模量。

巴西盘试验属于圆盘对心受力加载，圆盘中心点的受力状态为

${\mathrm{\&sigma;}}_x=-\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_y=\frac{6P}{\mathrm{\&pi;}DL}---\left(2\right)$

式中：P为外部荷载，D为圆盘直径，L为圆盘厚度。σ_x为拉伸应力，σ_y为压缩应力。根据横观各向同性广义胡克定律，可得

${\mathrm{\&epsiv;}}_x=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_x}{E_x}=-{\mathrm{\&nu;}}_{yx}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_y}{E_y}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&epsiv;}}_y=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_y}{E_y}=-{\mathrm{\&nu;}}_{yx}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_x}{E_y}---\left(4\right)$

处理后，可得

$E_y=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(5\right)$

$E_x=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{(3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}){\mathrm{\&epsiv;}}_x+3{\mathrm{\&nu;}}_{yx}{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(6\right)$

式中：E_x和E_y分别表示岩石的拉伸模量和压缩模量，ν_yx表示y方向应力引起的x方向横向变，可通过单轴压缩试验获得，ε_x和ε_y分别表示圆盘中心横向应变和竖向应变，可通过应变片获得，外载荷P可通过压电传感器获得。严格地讲，应当采用基于横观各向同性弹性假设的应力分布公式进行求解计算，但通过数值计算发现，当压缩模量与拉伸模量比值小于5时，水平应力误差在10％以下，竖向应力误差在5％以下，它们远远小于岩石的离散型。因此，为了简化计算，可以采用基于各向同性弹性假设的应力分布公式进行求解。

本发明突破了过去传统的分别单独测量岩石拉伸模量和压缩模量的方法，通过巴西盘试验，利用同一试件，通过一次试验，就可一次性获得岩石的拉伸模量和压缩模量，在测试方法上，更加简便易行，在成本上，更加节俭低廉。且获得的数据更加精确，通过上述计算方式算得的结果也更具科学性，能为实际工程提供精确的、具有指导性的计算参数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，其特征在于，包括：

步骤一：在圆盘试样正反面的中心处分别粘贴水平应变片和竖直应变片；

步骤二：将所述圆盘试样放置于压力机上，进行巴西盘试验，采用压力传感器监测试验加载力P，采用所述水平应变片和所述竖直应变片分别监测所述圆盘试样中心的横向应变ε_x和竖向应变ε_y；

步骤三：按下式计算得到岩石的拉伸模量和压缩模量：

$E_y=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(1\right)$

$E_x=\frac{2P}{\mathrm{\&pi;}DL}\frac{3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}}{(3+{\mathrm{\&nu;}}_{yx}){\mathrm{\&epsiv;}}_x+3{\mathrm{\&nu;}}_{yx}{\mathrm{\&epsiv;}}_y}---\left(2\right)$

式中：E_x和E_y分别表示岩石的拉伸模量和压缩模量，P为外部荷载，D为圆盘直径，L为圆盘厚度，ν_yx表示y方向应力引起的x方向横向变形系数，ε_x和ε_y分别表示圆盘中心横向应变和竖向应变。

2.根据权利要求1所述的一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，其特征在于：所述ν_yx通过单轴压缩实验获得。

3.根据权利要求1所述的一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，其特征在于：所述圆盘试样放置于压力机的承压板之间，所述承压板与所述圆盘试样之间放置有钢质垫条。

4.根据权利要求1所述的一次性测量岩石拉伸模量和压缩模量的试验方法，其特征在于：步骤一之前先找出所述圆盘试样的中心，沿所述圆盘试样的径向方向划两条相互垂直的基线，两条基线的交点即是岩石的中心。