岩石类材料具有典型的抗压、不抗拉的特性。在实验室中,通过单轴或三轴压缩试验可以较为容易地测得岩石类材料的抗压强度和压缩弹性模量。但是由于多方面的原因,例如:试样加工难度大,试样加载困难,试验过程中试样端部极易产生应力集中等等,岩石直接拉伸试验很难在实验室内实施,造成岩石抗拉强度和拉伸弹性模量很难在实验室里直接测出。为此,国际岩石力学学会(ISRM)推荐采用巴西圆盘劈裂试验来替代直接拉伸试验来间接确定岩石的拉伸强度,但是却没推荐一种间接方法来间接确定岩石类材料的拉伸弹性模量。
拉伸弹性模量是衡量岩石类材料的拉伸特性的重要物性参数,是计算处于拉伸部位的工程岩体的应力场、位移场的核心参数。其量测的准确性和可信度可能直接影响到岩体工程的安全性。我所工程地质与水资源研究室的博士生叶剑红在其导师伍法权研究员的指导下,提出了采用巴西圆盘为试样来测量岩石类材料的拉伸弹性模量的方法和理论(Ye et al. Estimation of the tensile elastic modulus using Brazilian disc by applying diametrically opposed concentrated loads. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2009, 46 (03): 568–576,点击此处下载该文,2008IF:1.031)。该方法是利用巴西圆盘劈裂试验为手段,在圆盘的中心位置,垂直于力加载方向上粘帖应变片来记录圆盘中心在力作用下的变形,利用力传感器来记录所施加的作用力的大小,最后通过计算得到岩石试样的拉伸弹性模量。在该文中,基于巴西圆盘试验的应力场解析解的表达式,经过严格的数学推导和推理过程,得到了采用该测量方法确定圆盘试样拉伸弹性模量的一套完整的测量计算理论。
该文针对所发展的测量理论和方法,对四种岩石(灰岩,大理岩,砂岩,花岗岩)进行了试验研究工作,试验结果表明四种岩石材料的拉伸弹性模量和其岩石弹性模量的比值在0.6-0.9之间,这一结果与先前大量的测量数据极其吻合,从而进一步表明所提出的试验方法和测量理论具有很好的精确度和可信度,而且可行性和操作性也较好。
这一研究成果为今后测量岩石类脆性材料的静态或准静态拉伸弹性模量提供了行之有效的计算方法和计算理论。