基于巴西劈裂试验的茅口灰岩抗拉强度研究

摘要

随着国民经济的不断发展，地下空间开拓以及地下资源开采仍然是国内学者研究的焦点。抗拉强度是表征岩石强度特性的重要参数之一，同时也是矿山设计中安全与稳定性分析的控制参数，岩石的抗拉强度远小于抗压强度。拉伸破坏是工程岩体基本破坏形式之一，而茅口灰岩是南方煤矿开采中广泛遇到的工程介质，因此，测定茅口灰岩的峰值抗拉强度有着重要意义。
　　首先，以茅口灰岩为研究对象，依托巴西劈裂试验为手段，结合数值分析，探讨了平板加载、垫条加载和弧形加载三种加载方式下，厚径比以及加载速率对岩石峰值抗拉强度的影响，其次，依据摩尔-库仑理论，基于三轴压缩试验展开了不同围压下茅口灰岩基本力学特性的研究，得出主要结论如下：
　　（1）巴西劈裂各类加载方式下，厚径比与岩石抗拉强度呈线性递减关系，存在一定的尺寸效应；随加载速率的提高，茅口灰岩的抗拉强度小幅增加，低加载速率下，岩石试件出现多次应力跌落现象，随着加载速率的提高，应力跌落现象消失，峰后曲线呈直线式下跌；载荷接触条件对岩石抗拉强度产生重要影响，测得的抗拉强度平均值中，由于改善了加载端部的应力集中，弧形加载所得茅口灰岩抗拉强度分别为平板加载与垫条加载的1.59和2.52倍。不同加载方式下，试件破裂方式均有不同，平板加载下，试件沿轴线方向破裂成两半，部分试件伴有次生裂纹的产生；垫条加载下的试件沿加载方向直接破裂成两半；弧形加载随着试件厚度增加，破坏方式依次由一条主裂纹向主应力方向产生众多次生裂纹的方向发展，综合上述试验结果，推荐弧形加载为最优加载方式。
　　（2）茅口灰岩三轴抗压强度随着围压的增大呈线性增长；低围压条件下，岩样扩容率较小时即发生脆性破坏。随着围压的增大，体积应变扩容率随之提高，当围压为12MPa时，岩样表现为由脆性向延性转化的过渡状态，当围压加至17MPa时，岩样表现为延性流动；通过绘制莫尔应力圆得出茅口灰岩内聚力C为22.9MPa，内摩擦角Φ为44.7°。
　　（3）运用FLAC3D数值分析软件，进行了不同厚径比及加载速率的巴西劈裂数值模拟试验，结果表明：圆盘轴线上端面中心点为水平应力最大值，即圆盘是由端面中心点开始起裂。随着加载速率增加，圆盘端面中心点等效应力增大，随着厚径比增加，圆盘端面中心点等效应力减小，试验的有效性得到了保证，最后提出了垫条加载和弧形加载抗拉强度的修正公式，消除厚径比及加载速率对岩石抗拉强度的影响，并验证了修正公式的有效性。

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第一章 绪论

1.1研究的目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究路线

第二章 巴西圆盘劈裂机理及理论分析

2.1巴西劈裂法破裂机理

2.2 圆盘拉应力分析

2.3 不同加载角的应力场分析

2.4 格里菲斯强度理论

2.5 巴西劈裂法的影响因素

第三章 巴西劈裂试验

3.1 试件制取与试验方案

3.2 平板劈裂试验

3.3 垫条劈裂试验

3.4 弧形劈裂试验

3.5试验数据分析

3.6茅口灰岩破裂方式

3.7巴西劈裂法的优选

3.8本章小结

第四章 三轴压缩试验

4.1试样制取与试验装置

4.2试样方案与试验过程

4.3三轴强度及力学参数

4.4破坏特征

4.5本章小结

第五章 数值分析

5.1垫条加载数值模拟

5.2弧形加载数值模拟

5.3茅口灰岩抗拉强度修正公式

5.4本章小结

第六章 结论

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间的科研成果