CN110160892B - 一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法，包括将岩石试件安装在从动夹头中，进行扭转实验，实验过程中，监测扭矩T、第一主应变ε1和第二主应变ε2的变化，根据横观各项同性广义胡克定律，计算得到岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy。本发明突破了过去传统的分别单独测量岩石压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy的方法。通过对扭转实验进行简单的改进，只进行一次实验，就可获得岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy。本发明为一次性测量岩石拉压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy，提供了一种更加简便，节约时间、人力和财力的新方法。

Description

一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法
技术领域
本发明涉及岩石力学技术领域，特别涉及一种用扭转实验，同时测量各向异性岩石变形常数(压缩模量、拉伸模量、剪切模量)的方法。
背景技术
岩石的变形常数是其宏观力学性能的基本参数，是进行岩石力学问题计算和分析的重要基础。各向同性材料，如金属材料，独立的弹性常数有两个：弹性模量和泊松比。而各向异性材料，独立的弹性常数增加了。研究表明岩石具有拉压各向异性的特性，岩石的拉伸模量与压缩模量往往是不同的，应当采用横观各向异性模型来描述岩石力学问题。对于平面问题，独立的弹性参数有四个：压缩弹性模量Ec、拉伸弹性模量Et、泊松比νc和剪切弹性模量Gxy。
根据弹性理论，计算出材料的应力分布，然后应用电阻应变片和应变仪测定材料的表面应变，再根据广义胡克定律，确定其弹性常数，是一种最常见的材料变形常数分析方法。
目前，现有技术通常采用单轴压缩实验来获得岩石的压缩弹性模量Ec和泊松比νc；采用单轴拉伸实验来获得岩石的拉伸弹性模量Et；采用扭转实验来获得岩石的剪切弹性模量Gxy。但存在如下问题：一是这种做法方法复杂繁琐的，需要做三种实验；二是岩石的直拉实验和扭转实验不易实现；三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弹性常数归为一组不够科学。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法，包括：将岩石试件安装在从动夹头中，进行扭转实验，实验过程中，监测扭矩T、第一主应变ε1和第二主应变ε2的变化，按下式计算得到岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy：
Figure BDA0002117989140000021
Figure BDA0002117989140000022
Figure BDA0002117989140000023
式中：Ec和Et分别表示岩石的压缩模量和拉伸模量，T为扭矩，D为圆柱直径，νc表示压应力引起的横向变形系数，ε-45°和ε45°分别表示-45°、45°方向应变。
与现有技术相比，本发明的优点在于：突破了过去传统的分别单独测量岩石压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy的方法。通过对扭转实验进行简单的改进，只进行一次实验，就可获得岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy。本发明为一次性测量岩石拉压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy，提供了一种更加简便，节约时间、人力和财力的新方法。
附图说明
图1为本发明实施例圆柱扭转示意图；
图2为本发明实施例试样应变片布置示意图；图中标号说明：1-岩石试样；2-应变片；
图3为本发明实施例扭转实验中的扭矩应变关系图；
图3a为1号岩石试样实验结果；
图3b为2号岩石试样实验结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。、
一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法，包括以下步骤：
由材料力学可知，当圆柱受纯扭转时，横截面上任一点的剪应力为
Figure BDA0002117989140000031
最大剪应力产生在圆柱表面，其表面任意一点受力状态如图1所示
Figure BDA0002117989140000032
式中，T表示扭矩，J表示极惯性距，ρ表示距离圆心半径，W表示抗扭截面模量，D表示圆柱直径。
沿任意斜截面上的正应力和剪应力为
Figure BDA0002117989140000033
在与轴线成±45°的方位上，产生最大拉、压应力(图1)，
Figure BDA0002117989140000034
因为剪应变不能使电阻应变片变形而产生电阻的变化，所以只能利用由剪应变引起的正应变来测量剪变。将应变片粘贴在与轴线成-45°、0°、45°三个方向圆柱表面，如图2所示。假设测得的线应变为ε-45°、ε0°、ε45°，其中ε-45°＝ε1，ε45°＝ε2。由应变坐标变换公式，可得
Figure BDA0002117989140000035
可得到关于εx、εy、γxy的线形方程组
Figure BDA0002117989140000041
Figure BDA0002117989140000042
Figure BDA0002117989140000043
联立求解以上三式得
εx＝ε0° (9)
εy＝ε-45°+ε45°-ε0° (10)
γxy＝ε-45°-ε45° (11)
根据横观各向同性广义胡克定律
Figure BDA0002117989140000044
泊松比νc通过单轴压缩实验确定，则有
Figure BDA0002117989140000045
以下为具体实施过程详细说明：
(1)沿圆柱试样轴线方向划一条中心线，再在与中心线成±45°的方向上划两条直线。
(2)将应变片粘贴在与中心线成-45°、0°、45°三个方向(见图1)，将其与应变采集仪相连。
(3)将试件安装在从动夹头中，对称夹紧试件，点击“扭矩清零”。
(4)先开始采集数据，再点击开始实验。
(6)根据式(13)，即可得到岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy。
对本发明中所提测量方法进行了验证，选取一种岩石分别进行了扭转、单轴压缩和单轴拉伸实验。如图3所示，给出了扭转实验中的扭矩应变关系。实线表示-45°方向应变，长虚线表示0°方向应变，短虚线表示45°方向应变。表1给出了根据扭转实验数据得出的岩石力学参数。表2给出了根据单轴压缩和单轴拉伸实验结果。对比表1和表2结果可知，两者非常接近，这说明本发明提出的测量方法是可靠的。
表1 根据扭转实验数据得出的岩石力学参数
Figure BDA0002117989140000051
表2 根据单轴压缩和单轴拉伸实验数据得出的岩石力学参数
Figure BDA0002117989140000052
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用扭转实验测量各向异性岩石变形常数的方法，其特征在于，包括：将圆柱型岩石试件安装在从动夹头中，进行扭转实验，实验过程中，监测扭矩T、第一主应变ε-45°和第二主应变ε45°的变化，按下式计算得到岩石的压缩模量Ec、拉伸模量Et和剪切模量Gxy：
Figure FDA0002528136890000011
Figure FDA0002528136890000012
Figure FDA0002528136890000013
式中：Ec和Et分别表示岩石的压缩模量和拉伸模量，T为扭矩，D为岩石试件的圆柱直径，νc表示压应力引起的横向变形系数，ε-45°和ε45°分别表示岩石试件沿轴线成-45°和45°方向的应变。
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