巴西劈裂试验中试样微缺陷对试验结果影响研究*
孔雪珍 魏雪霞
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北京理工大学爆炸科学与技术国家重点试验室
摘要 在工程设计和施工中，岩石、混凝土等脆性材料的抗拉强度是一个非常重要的力学指标，在工程中岩体、混凝土常处于复杂的应力状态，有的部分处于压缩应力状态，有的地方则处于拉伸应力状态，由于岩石、混凝土材料的抗拉强度远小于抗压强度，所以处于复杂应力的状态的岩石、混凝土等脆性材料总是拉伸破坏。因此，正确进行岩体、混凝土等脆性材料的应力状态区域划分，即破坏危险区域的确定是脆性材料强度分析的关键因素，而其抗拉强度又是确定工程破坏区的基础资料之一，关于岩石、混凝土等脆性材料抗拉强度的研究则是很有实际工程意义
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。岩石、混凝土等脆性材料抗拉强度的研究方法主要有直接拉伸、
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三点弯曲和巴西劈裂试验法，由于直接拉伸和三点弯曲的不稳定性，目前大多采用巴西劈裂试验等间接测试手段来得到岩石、混凝土等脆性材料的抗拉强度
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。巴西劈裂试验原理
来源于对心受压圆盘问题的弹性力学解，由于最早该试验由巴西学者提出并进行了分析研究，因此也称为巴西圆盘试验。巴西劈裂试验的理论基础是对称载荷作用下圆盘的应力场分布，尤其是对称载荷作用连线上的横向拉应力分布，用弹性理论解析出岩石、混凝土等脆性材料的抗拉强度，一般这类试验可在普通试验机上完成
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。国际岩石力学学会
(International Society for Rock Mechanics)于1978年颁布了用巴西圆盘试件测试岩石抗拉强度的试验规范，美国材料试验学会(American Society for Testing Material)标准关于均匀介质的巴西劈裂试验已有较多的学者进行了相关的理论和也推广这种试验方法。
试验研究，而实际试验过程中很难保证试样的均匀性，这样就导致所测结果与理论研究不符合，则对于脆性材料稳定性分析评价不够准确，无法达到工程需求。考虑到采用解析的方法来研究非均匀介质在巴西劈裂试验中的应力分布问题已经较为困难，故而本文采用ANSYS仿真软件进行三维准静态巴西劈裂试验数值模拟。
本文对于非均质混凝土的巴西劈裂试验进行了研究，在数值模拟的过程中考虑到数值计算的简便性，将缺陷以及夹杂简化为圆柱体，其高度与试验样品一致。主要围绕缺陷或者夹杂的位置、尺寸以及材料属性三个方面进行。数值模拟结果显示在进行巴西劈裂试验的过程中横向拉应力的最大值从试样中心到端部逐渐增大，考虑到数值模拟的边界效应以及数据提取的简便性，本文在以后的数据分析中主要考虑试样中间位置沿加载线方向的应力分布规 * 国家自然科学基金(11272049, 11032003)资助 †
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报告人简介：兵器科学与技术,研究生：***********************
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律。通过数值模拟得到随着缺陷或者夹杂的位置靠近加载位置，拉应力的应力集中效应越明显，拉应力极值越大。随着尺寸的增加其对于整个应力分布的影响越大，其影响范围约为缺陷或加载直径的2倍。在研究夹杂材料属性变化时，主要考虑其杨氏模量和泊松比。当夹杂材料的杨氏模量小于基体材料的杨氏模量时，应力集中效应较为明显，其会在夹杂与基体接触的上、下沿位置产生应力集中，其中上沿位置即靠近加载端的拉应力极值较大，且随着夹杂处材料的杨氏模量的的减小应力极值逐渐增加；当夹杂材料的杨氏模量大于基体材料的杨氏模量时所产生的应力集中效应相对前者较小，而拉应力极值也从上沿位置变换到夹杂与基体接触的下沿位置；随着夹杂处材料泊松比的逐渐增加，在夹杂与基体接触的上、下沿也会产生一定的应力集中效应，但是相对杨氏模量的变化而言较小。由上可知，当在实际试验的过程中产生试样含有夹杂或者缺陷对于整个巴西劈裂试验的影响是不可忽略的。本文研究结果不仅有助于分析带有微缺陷的试样的巴西劈裂试验结果，也为复合材料和泡沫材料的巴西劈裂试验奠定基础。
关键字：巴西劈裂试验；数值模拟；应力分析；缺陷; 脆性材料
参 考 文 献
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谢和平, 陈忠辉. 岩石力学. 北京: 科学出版社, 2004. 沈明荣. 岩体力学. 上海: 同济大学出版社, 1999.
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