文档介绍：岩石力学课件
岩石力学试验机
一、试验机及岩样变形分析
刚度:产生单位位移需要的力。
——沿P方向的位移。
岩石试件的刚度:
设其高度为lr、横截面为Fr、弹模为Er,则岩石试件刚度为:
;
通常:标准的岩石试件Kr>。
试验机的刚度:
等效为类似于岩石试件的金属构件:设其高度为lm、横截面为Fm、弹模为Em,则试验机刚度为:
。
通常:普通试验机Km=~;Km<Kr
岩石力学试验的关键问题:
岩石强度试验中,荷载达到峰值后岩石突然全面崩溃,峰值后岩石应力应变曲线不容易得到(采矿工程中,峰后岩石承载普遍存在)。
1943年,惠特尼Whithey首次正确解释了岩石试件达到峰值后突然崩溃的机理。
破裂原因:岩石材料刚度大于试验机刚度。当岩石达到强度极限后,因刚度下降无法再抵抗极限荷载,导致试验机中积聚的弹性变形能急剧释放,使岩石失控而立即崩溃。
试验机蓄积的变形能:
;
试件蓄积的变形能:
。
试验过程中试验机与岩石试件变形能之比:
显然,试验机刚度越低,其积聚的变形能越多。
峰值后岩石试件的能量释放:
峰值后,试件将发生破裂,岩石试件刚度降低,试件中的应变能将转化为各种能量(裂缝扩展、声响、震动、热能)而释放。
注意:岩石继续变形仍需能量,试件平稳变形所需能量(为峰值后弱化段刚度,图中梯形面积):
峰值后试验机的能量释放:
由于普通试验机:,试验机释放的能量超过试件平稳变形所需能量,因此,试件必然瞬间崩溃。
思考:
采用普通试验机,能否得到岩石峰值后的应力应变曲线?
要得到岩石峰后应力应变曲线,可采取什么手段?
二、岩石力学试验机
根据岩石试件破裂的机理,得到避免其瞬间破裂(爆裂)的方法:
提高试验机刚度;
改变峰值前后的加载方式;
伺服控制试件位移。
(1)基本原理
提高试验机刚度(减小钢构件高度,增大截面积,提高部件间配合精度)。
峰后:,试验机释放的能量小于试件平稳变形需要的能量,试件继续平稳变形必须继续主动施加荷载,因此试件不会崩溃。可以得到全应力应变过程。
(2)发展现状
1966年,库克(Cook)与霍杰姆(Hojem)研制了世界上第一台刚性试验机。
1980年,国内首台国产刚性试验机出现。
(1)基本原理
位移传感器监测岩石试件的变形(轴向位移)并反馈给伺服控制器。
由于反馈信号的响应速度比岩石破裂的传播速度更快,因而当位移速率超过限定值时,能够及时控制伺服阀产生运作,调整加压头的位移,从而保证将试件的位移控制在适当范围内,避免试件突然爆裂。
分类:气动伺服、液压伺服、机电伺服、电气伺服、电液伺服
关键:控制系统。
(2)发展现状
美国MTS公司最早研制成了电液伺服试验机。
1971年,长春试验机厂研制出了国内首台电液伺服试验机;
1994年,武汉岩土工程研究所开发了RMT-64型试验机系统。
单轴压缩试验
一、加载应力应变曲线分析
岩石压缩过程的几个阶段(参见图1-3):
(1)OA段:孔隙、裂隙的压密阶段;
(2)AB段:弹性变形段(由于OA段较小,通常认为OB均为弹性变形段)。
(3)BD段:塑性变形段(岩石中新裂隙的产生、扩展、贯通阶段)。
(4)DE段:弱(软)化段(岩石继续变形仍需要外力,但能承担的外载大幅度降低)。
(5)EF段:残余强度段。
:
(1)峰值应变小;
(2)无明显的屈服平台;
(3)塑性段为线性或非线性强化;
(4)岩石划分峰前峰后区且具有残余强度,其中:峰前区:可看作连续介质,按弹性、弹塑性理论计算应力应变;峰后区:岩石变形主要是破碎块体间的滑动或错动,此时,各块体自身变形不显著,岩石的变形不再适用连续介质力学,可用刚体运动力学研究。
(1)屈服点:弹、塑性分界点(图中B点)。
(2)峰值点:峰前峰后区分界点,对应于单轴抗压强度(图中D点)
(3)软化点:峰后区岩石刚度急剧下降段与残余强度段的分界点(图中E点)
(1)刚度角:OB连线与坐标横轴夹角(刚性角越大,表明岩石刚度越大,弹模越大);
(2)脆度角:BD连线与横轴间夹角(脆度角越大,表明脆性越强);
(3)强化角:OD连线与横轴夹角(强化角越大,表明峰前段整体刚度越高);
(4)软化角:DE连线与横轴夹角(软化角越大,峰后软化段曲线越陡,软化越急剧)。
(5)韧度角:DE段连线与竖轴夹角(与软化角互余,韧度角越大,峰后曲线越平缓,残