Rock Mech Rock Eng (2013) 46:269–287 DOI 10.1007/s00603-012-0257-7

OR IGINAL PAPER

The Brazilian Disc Test for Rock Mechanics Applications: Review and New Insights

Diyuan Li ^• Louis Ngai Yuen Wong

Received: 26 January 2012 / Accepted: 22 April 2012 / Published online: 15 May 2012

© Springer-Verlag 2012

Аннотация Проведено исследование развития бразильского дискового теста для определения непрямой прочности на растяжение и его применения в механике горных пород. Основываясь на истории исследований бразильского теста с помощью аналитических, экспериментальных и численных подходов, можно выделить три этапа исследований. В большинстве ранних исследований основное внимание уделялось распределению растягивающих напряжений в бразильских дисковых образцах, при этом игнорировалось распределение деформации при растяжении. Наблюдение за различными позициями инициации трещин на бразильском диске привлекло большой интерес исследователей из сообщества механиков горных пород. Простой критерий деформации растяжения был предложен Стэйси (Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 18 (6): 469-474, 1981) с учетом инициирования и распространения трещин растяжения в горных породах, хотя этот метод широко не используется. В настоящем исследовании построена линейная упругая численная модель для изучения инициирования трещины в 50-мм- Диаметр бразильского диска с использованием FLAC3D. Максимум Растягивающее напряжение и максимальная деформация растяжения, как обнаружено, происходят примерно на расстоянии 5 мм от двух точек нагружения вдоль сжатого диаметра диска, а не в центре поверхности диска. Поэтому точка начала трещин бразильского теста на породы может быть Расположенный вблизи точки нагружения, когда напряжение растяжения встречается   Когда растягивающее напряжение удовлетворяет критерию максимальной прочности на растяжение. Ключевые слова бразильский тест · Прочность на растяжение · Предел растяжения · Инициирование трещин · Механика горных пород · Обзор 1. Введение Бразильский тест представляет собой простой косвенный метод испытаний для получения прочности на разрыв хрупкого материала, такого как бетон, камень и подобные породе материалы. В этом тесте тонкий круговой диск диаметрально сжат до отказа. Четыре типичные конфигурации загрузки показаны на рис. 1. Сжатие вызывает растягивающие напряжения, нормальные к вертикальному диаметру, которые по существу постоянны в области вокруг центра. Непрямую прочность при растяжении обычно рассчитывают на основе предположения о том, что отказ происходит в точке максимального растягивающего напряжения, т.е. в центре диска. Предложенная формула для расчета предела прочности на растяжение rt (МПа) на основе бразильского теста (ASTM 2008, ISRM 1978)   2P P   Критерий максимальной растягивающей деформации, но на поверхности

D. Li · L. N. Y. Wong (&)

r_t ¼ _pDt ¼ 0:636 _Dt ; ð1Þ

Где P - нагрузка при разрушении (N), D - диаметр образца для испытаний (мм), а t - толщина испытываемого образца, измеренная в центре (мм). Поскольку в 1943 году Карнейро и Акадзава внедрили его независимо друг от друга (Carneiro 1943, Akazawa 1943, Fairbairn и Ulm 2002), бразильское растягивающее испытание получило значительное внимание даже до сегодняшнего дня (Erarslan and Williams 2012).

В этой статье мы представляем обзор и некоторые новые сведения о нетронутом бразильском тесте по механике горных пород

Fig. 1 Typical Brazilian tensile test loading configurations: a flat loading platens, b flat loading platens with two small-diameter steel rods, c flat loading platens with cushion, and d curved loading jaws

Приложения. Во-первых, мы обсуждаем предысторию бразильского теста с точки зрения допущений, представлений и дебатов, связанных с тестом в п. 2. Три основных этапа развития бразильского теста по применению механики горных пород представлены в разделе. 3 на основе всестороннего обзора литературы. Одна из ключевых проблем бразильского теста, связанная с положением начала трещин в горных породах или породоподобных материалах, полученными из теста, обсуждается в разделе. 4, где обсуждается применимость критического критерия деформации растяжения. В п. 5, мы представляем численное моделирование с использованием FLAC3D для получения распределений напряжений и деформаций в бразильском испытании диска. Численное моделирование с целью определения позиций инициации трещины изучается как максимальным напряжением растяжения, так и максимальной растягивающей деформацией в бразильском диске. Наконец, некоторые выводы сделаны в п. 6. Следует отметить, что в настоящем обзоре и исследовании основное внимание уделяется чистому бразильскому испытанию диска. Трещины бразильского теста диска и проблемы динамической загрузки бразильского дискового теста не рассматриваются.

1. История

1.1 Допущения

В бразильском тесте предполагается, что образец тонкого диска нагружен равномерным давлением, которое радиально накладывается на короткую полосу окружности на каждом конце диаметра. Фрикционными напряжениями между нагрузочными плитами и образцами пренебрегают. Провал бразильского образца следует критерию Гриффитса. Предполагается, что промежуточное главное напряжение (r2) не влияет на разрушение диска (Fairhurst 1964). Важным и основным предположением для определения прочности на растяжение горных пород и породных материалов бразильским тестом является то, что материал считается однородным, изотропным и линейно упругим до возникновения хрупкого разрушения (Mellor and Hawkes 1971).

1.1 Восприятие

Из-за трудности проведения прямых испытаний на одноосное растяжение бразильские испытания широко используются для измерения косвенной прочности на растяжение горных пород и породных материалов. Как указывается в предложенном ISRM бразильском методе испытаний, обоснование теста основано на экспериментальном факте, что большинство пород в поля двуосных напряжений терпит неудачу в напряжении при их одноосном растяжении, когда одно главное напряжение растягивается, а другое главное напряжение Сжимается с величиной, не превышающей в три раза большую, чем у главного напряжения растяжения (ISRM 1978). За прошедшие годы некоторые представления о бразильском тесте сложились; Например, бразильский образец для испытаний должен раскалываться вдоль сжимающей диаметральной линии или же рассматривается как имеющий недопустимый режим отказа. Другими словами, трещина должна начинаться от центральной части бразильского диска, где максимальное растягивающее напряжение вызывает разрушение породы (Colback 1966). Другое соображение заключается в том, что, поскольку бразильский тест может переоценить прочность на растяжение пород из-за его двуосного напряжения вместо одноосного растяжения, бразильский тест никогда не заменит одноосные растягивающие испытания горных пород. Кроме того, было признано, что концентрация сжатых напряжений вблизи нагрузочной плиты оказывает существенное влияние на результаты бразильских испытаний. Специально предназначенные криволинейные загрузочные плиты или картонные подушки между плоской загрузочной плитой и образцом предложены для использования в бразильском тесте (ISRM 1978, ASTM 2008).

1.1 Дебаты Справедливость бразильского теста обсуждалась в течение длительного времени, с тех пор, как он был введен для измерения прочности на растяжение пород и породных материалов; Например, еще в 1964 году Фэйрхерст (1964) уже указывал на то, что из центра тестового диска может произойти сбой при малых углах контакта контактной площадки дл

я

Материалы с низким коэффициентом сжатия-натяжения. В таких случаях «прочность на растяжение», как правило, рассчитывается по результатам испытаний, была ниже истинной величины. После этого Хадсон и соавт. (1972) обнаружили, что отказ всегда инициировался непосредственно под точками загрузки в бразильском тесте, если для загрузки образцов в сервоуправляемой испытательной машине использовались только плоские стальные пластины. Они пришли к выводу, что ни бразильский тест, ни кольцевой тест не могут быть рекомендованы в качестве надлежащего метода измерения «прочности на растяжение» как свойства материала. Основываясь на трехмерном (3D) методе конечных элементов (FEM), Ю (2005) указал, что бразильское испытание не было подходящим для измерения прочности на растяжение породноподобных материалов, поскольку наибольшее эквивалентное напряжение не было на Центр торцевой поверхности диска, но всегда в точке загрузки торцевой поверхности.

Точка инициации трещины должна быть расположена в центре бразильского диска на основе критерия Гриффитса разрушения, что, очевидно, подтверждается экспериментальными и численными исследованиями (Yanagidani et al., 1978; Chen et al., 2004a). Тем не менее, часто наблюдается трещинное инициирование в точках от центра диска (Fairhurst 1964, Hooper 1971, Hudson et al., 1972, Swab et al., 2011). Расхождение между теоретическим анализом и лабораторными наблюдениями может быть результатом как предположений, так и критериев разрыва, а также присущих дефектов и неоднородности исследуемых пород.