圆盘试样三维应力分布：巴西劈裂试验的突破与修正

本文主要探讨了圆盘试样在径向加载下进行巴西劈裂试验时的空间应力分布及其破坏过程。研究采用离散元数值计算方法，深入分析了这一现象。首先，研究发现圆盘试样在横截面上的应力分布规律与传统的二维解析计算结果相符，但具有显著的空间效应，即中轴线上的拉应力并非均匀分布，呈现出两端高、中间低的特征。这种非均匀性对于理解试样的实际力学性能至关重要。 其次，高径比（试样高度与直径的比例）对拉应力分布有显著影响。随着高径比的增加，试样两端的最大拉应力会逐渐增大，而中间部分的拉应力则相应减小。当高径比超过1后，最大和最小拉应力值趋于稳定，空间效应导致的拉应力增高程度大约为25%左右。这说明了空间效应在不同尺寸试样中的作用机制。 进一步，研究揭示了试样破坏裂隙的发展路径：通常始于轴向两端，并向试样内部扩展。尽管试样宏观裂隙可能在中轴线处贯通，但这并不意味着试样完全丧失径向承载能力，因为裂隙的扩展并不总是沿直线进行。 最后，空间效应对试样的最大径向承载能力有直接影响。计算得出的二维圆盘劈裂强度相比于实际值偏低，尤其对于实验中常见的高径比为0.5的试样，修正系数k推荐在1.25~1.30之间。这为实际工程中合理评估和设计圆盘试样的巴西劈裂强度提供了重要的参考依据。 本文的研究结果对于优化圆盘试样的设计、提高测试精度以及深入理解岩石材料的力学行为具有重要意义，尤其是在涉及复杂几何形状和尺寸的岩石力学试验中。通过考虑空间效应，可以更准确地预测和控制材料在实际应用中的性能表现。