CN107831069A - 一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法 - Google Patents

一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，首先通过常规静载点荷载试验得到岩石试样的峰值荷载，再根据设置的每个卸载点分别进行岩石试样的一次加卸载点荷载试验，得到岩石试样一次加卸载点荷载试验的荷载‑位移曲线。根据所得的荷载‑位移曲线，计算出岩石试样在5个卸载点处的总输入能和所储存的弹性变形能发现和之间存在线性函数关系；根据常规静载点荷载试验的荷载‑位移曲线和一次加卸载点荷载试验的荷载‑位移曲线求出岩石试样峰值荷载点处的总输入能计算出岩石试样峰值荷载点处储存的弹性变形能突破性的发现了和之间存在线性函数关系，为测定岩石材料点荷载试验峰值荷载点处的弹性变形能提供了一种新方法。

Description

一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能 的方法
技术领域
本发明属于岩石工程领域，特别涉及一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法。
背景技术
在外力作用下，岩石材料承载后可能发生破坏，其破坏过程中必然伴着随能量的储存与释放，从能量角度分析岩石的破坏行为及研究岩石力学问题具有重要意义。点荷载试验是测定岩石材料受压破坏的一种重要试验方法。岩石试样进行点荷载试验并发生破坏，在受载过程中必然伴随着能量的储存与释放。纵观点荷载试验的研究现状及研究成果，未见具体测定点荷载作用下岩石材料峰值荷载点处的弹性变形能的方法。
发明内容
本发明提供了一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，其目的在于，克服现有技术中无法在点荷载试验前提前获知岩石材料峰值荷载点，从而无法获得岩石材料的弹性变形能的问题。
一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，包括以下步骤：
首先，根据常规静载点荷载试验得到峰值荷载平均值Fmax，将5个相同的圆柱体试样分别进行一次加卸载点荷载试验，获得5个圆柱体试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线；
其次，根据得到的圆柱体试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线，求得圆柱体试样在各卸载点处的总输入能和储存的弹性变形能的值，i表示加卸载试验次数；
接着，对至少5组总输入能和储存的弹性变形能的值进行拟合，得到各卸载点处和的值和两者之间的一次函数关系式：其中，a和b为拟合得到的常数；
然后，基于一次函数关系式把岩石材料峰值荷载点处的总输入能代入上述函数关系式，计算出岩石材料在峰值荷载点处的弹性变形能
进一步地，所述将5个相同的圆柱体试样分别在所述的5个不同卸载点处进行一次加卸载点荷载试验，是指取5个相同规格的圆柱体试样分别进行一次加卸载点荷载试验，试验机先以5KN/min的加载速率对圆柱体试样进行加载，当达到设置的卸载点时进行卸载，设置的卸载点分别为0.1Fmax、0.3Fmax、0.5Fmax、0.7Fmax、0.9Fmax；当卸载至0.02Fmax时，再以0.1mm/min加载速率加载至试样破坏，分别获得5个不同卸载点岩石试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线；
进行加卸载试验前，将圆柱体试固定于点荷载试验的两个加载锥之间，使得两加载锥之间的连线位于岩石试样的轴心线上且与试样的两圆形端面垂直；
用于点荷载试验的加载锥锥端部曲率半径为5mm，锥顶角为60°；
其中，卸载时的控制方式、卸载速率和加载时保持一致。
进一步地，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线中峰值荷载前的加载曲线与横坐标轴所围成的面积的值；
所述常规静载点荷载试验是指试验机以5KN/min的加载速率加载至圆柱体试样破坏。
进一步地，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线中初次加载曲线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载曲线中卸载点到峰值荷载前的曲线与横坐标轴所围成的面积的值之和。
进一步地，所述圆柱体试样是对需要试验的工程岩体利用立式取芯机钻取岩芯，岩芯直径为50mm，高度为50mm。
进一步地，利用试验机以5KN/min的加载速率对1个圆柱体试样进行加载至圆柱体试样破坏，圆柱体试样的常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线，从荷载-位移曲线提取峰值点作为所述峰值荷载值Fmax。
进一步地，所述的荷载-位移曲线中的位移为纵向位移，其方向与所受荷载的方向一致。
有益效果
本发明提供了一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，首先通过常规静载点荷载试验得到岩石试样的峰值荷载，然后根据设置的5个不同的卸载点，再根据设置的每个卸载点分别进行岩石试样的一次加卸载点荷载试验，得到岩石试样一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线。根据所得的荷载-位移曲线，计算出岩石试样在5个卸载点处的总输入能和所储存的弹性变形能拟合5个卸载点处的和的值，发现和之间存在线性函数关系：根据常规静载点荷载试验的荷载- 位移曲线和一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线求出岩石试样峰值荷载点处的总输入能将代入上述函数关系式计算出岩石试样峰值荷载点处储存的弹性变形能突破性的发现了和之间存在线性函数关系，该方法从能量角度分析了一次加卸载点荷载试验，充分利用发现的线性函数关系对岩石材料点荷载试验峰值荷载点处的弹性变形能进行了定量计算。为测定岩石材料点荷载试验峰值荷载点处的弹性变形能提供了一种新方法。
附图说明
图1为岩石试样及加载锥的示意图；
图2为岩石试样常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线示意图；
图3为岩石试样各卸载点处的总输入能与弹性变形能的函数关系示意图；
图4为岩石试样一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线示意图；
图5为岩石试样一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线中峰值荷载点处总输入能的计算示意图；
图6为岩石试样一次加载点荷载试验的荷载-位移曲线中峰值强度点处总输入能的计算示意图；
标号说明：1-加载锥；2-球形端面；3-岩石试样。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
本方案中利用美国MTS系统有限公司生产的T型工作台试验机(MTS 322)对岩石试样进行常规静载和一次加卸载点荷载试验。
一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，包括以下步骤：
(1)选取需要试验的岩石材料，利用岩石取芯机、岩石切割机和磨石机等将选取的岩石材料加工成直径为50mm，高径比为1的岩石试样，使得岩石试样的端面光滑，且垂直度满足试验要求。
(2)从制备的岩石试样中选取1个岩样，分别在T型工作台试验机(MTS)上进行常规静载点荷载试验。加载速率为5KN/min，图1为试验中用到的点荷载试验模具及岩石试样安放示意图。通过试验获得岩石试样常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线，如图2所示，取荷载-位移曲线中荷载峰值作为岩石试样的峰值荷载Fmax。
(3)另取5个岩石试样，根据岩石试样的峰值荷载值，设置5个卸载点，分别记为0.1Fmax、 0.3Fmax、0.5Fmax、0.7Fmax、0.9Fmax，进行一次加卸载点荷载试验，获得岩石试验的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线。如图3所示。图中初次加载段的加载速率为5KN/min,卸载曲线段的加载速率和初次加载曲线段的加载速率保持一致。二次加载以0.1mm/min的加载速率加载至试样破坏。
(4)如图3中所示，分别对不同卸载点点荷载试验的荷载-位移曲线中的初次加载曲线和卸载曲线在横坐标上进行积分，得到5个岩石试样在卸载点处的总输入能和弹性变形能的值。通过拟合和的值得到函数关系式：(如图3所示)。
(5)如图3所示，计算所述(1)中的1个岩石试样和(3)中的5个岩石试样在峰值荷载点处的总输入能。结合所述(4)中与的函数关系式，分别计算出各岩石试样峰值荷载点处的弹性变形能，取6个弹性变形能的值的平均值作为所测岩石试样点荷载试验峰值荷载点处储存的弹性变形能的值
实施例1：
以红砂岩为例，采用点荷载试验法对岩石试样峰值荷载点处的弹性变形能进行测定，测定步骤为：
step1：选取质地均匀、整体性较好的工程岩石块体，利用岩石取芯机、岩磨石机将其切割打磨成直径为50mm，高径比为1：1的圆柱体岩石试样。选取1个试样置于MTS 322试验机上进行常规静载点荷载试验，加载速率为5KN/min，获得试样的峰值荷载Fmax＝11.95KN。
step2：以step1中获得的试样峰值荷载Fmax＝11.95KN为初始依据，确定设置5个卸载水平(1.20KN、3.60KN、5.75KN、8.11KN、10.32KN)，列于表1中。
表1计算结果
step3：选取5个相同的试样分别进行不同卸载点处的一次加卸载点荷载试验，试验中初次加载段和卸载段的采用力控制的方式进行，加载速率为5KN/min。卸载完成后采用位移控制的方式加载至试样破坏，加载速率为0.1mm/min，获得5个卸载点处岩石试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线。
step4：根据step 3中获取的一次加卸载试验的载荷-位移曲线，分别对初次加载线、卸载线与横坐标轴围成的面积进行积分计算，得到岩石试样在不同卸载点处的总输入能和弹性变形能的值；具体计算结果见表1。对不同卸载点处的总输入能和弹性变形能进行数据拟合，得两者之间的函数关系式：
step 5：根据step 1中获取的常规静载点荷载试验的载荷-位移曲线，对加载曲线与横坐标之间的面积进行积分，得到岩石试样在峰值荷载点处的总输入能。对step 3中荷载-位移曲线中初次加载线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载线中卸载点到峰值荷载前的曲线与横坐标轴所围成的面积的值分别进行积分计算并求和，分别得到5个岩石试样在峰值荷载点处的总输入能值。计算结果如表1所示。
step6：将step5中计算得到的各试样在峰值荷载点处的总输入能的值分别代入函数关系式计算出各岩石试样在峰值荷载点处的弹性变形能(见表1)，将表中 6个试样在峰值荷载点处的弹性变形能进行平均，得红砂岩在点荷载试验中峰值荷载点处的弹性变形能
从表1中记录的计算结果来看，应用本发明所述的计算方法得到的岩石弹性变形能较为准确。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种在点荷载试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据常规静载点荷载试验得到峰值荷载值Fmax，将5个相同的圆柱体试样分别进行一次加卸载点荷载试验，获得5个圆柱体试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线；
其次，根据得到的圆柱体试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线，求得圆柱体试样在各卸载点处的总输入能和储存的弹性变形能的值，i表示加卸载试验次数；
接着，对至少5组总输入能和储存的弹性变形能的值进行拟合，得到各卸载点处和的值和两者之间的一次函数关系式：其中，a和b为拟合得到的常数；
然后，基于一次函数关系式把岩石材料峰值荷载点处的总输入能代入上述函数关系式，计算出岩石材料在峰值荷载点处的弹性变形能
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将5个相同的圆柱体试样分别在所述的5个不同卸载点处进行一次加卸载点荷载试验，是指取5个相同规格的圆柱体试样分别进行一次加卸载点荷载试验，试验机先以5KN/min的加载速率对圆柱体试样进行加载，当达到设置的卸载点时进行卸载，设置的卸载点分别为0.1Fmax、0.3Fmax、0.5Fmax、0.7Fmax、0.9Fmax；当卸载至0.02Fmax时，再以0.1mm/min加载速率加载至试样破坏，分别获得5个不同卸载点岩石试样的一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线；
进行加卸载试验前，将圆柱体试固定于点荷载试验的两个加载锥之间，使得两加载锥之间的连线位于岩石试样的轴心线上且与试样的两圆形端面垂直；
用于点荷载试验的加载锥锥端部曲率半径为5mm，锥顶角为60°；
其中，卸载时的控制方式、卸载速率和加载时保持一致。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线中峰值荷载前的加载曲线与横坐标轴所围成的面积的值；
所述常规静载点荷载试验是指试验机以5KN/min的加载速率加载至圆柱体试样破坏。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为一次加卸载点荷载试验的荷载-位移曲线中初次加载曲线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载曲线中卸载点到峰值荷载前的曲线与横坐标轴所围成的面积的值之和。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述圆柱体试样是对需要试验的工程岩体利用立式取芯机钻取岩芯，岩芯直径为50mm，高度为50mm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用试验机以5KN/min的加载速率对1个圆柱体试样进行加载至圆柱体试样破坏，获得圆柱体试样的常规静载点荷载试验的荷载-位移曲线，从荷载-位移曲线提取峰值点作为所述峰值荷载值Fmax。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的荷载-位移曲线中的位移为纵向位移，其方向与所受荷载的方向一致。
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