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不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验及数值研究
摘要：
本文针对不同层理倾角炭质板岩的巴西劈裂强度进行了实验研究，并采用数值方法对实验结果进行了模拟，得出了炭质板岩的力学特性和破坏模式。实验结果表明，炭质板岩的劈裂强度随着层理倾角的增大而减小，同时在劈裂过程中出现了明显的“对称破裂”现象；数值模拟结果与实验数据相符合，说明数值模拟方法可行、准确度高。
关键词：炭质板岩，巴西劈裂强度，层理倾角，对称破裂，数值模拟。
1.引言
炭质板岩是一种具有重要地质工程意义的岩石类型。由于其质地比较软、易于开采，因此常用于煤矿的支护和路基的填筑。然而，在实际应用中，炭质板岩常常会出现劈裂破坏的情况，严重影响了工程的稳定性和安全性。因此，对炭质板岩的力学特性和破坏模式进行研究具有重要意义。
巴西劈裂强度是一种常用的岩石力学参数，可以反映岩石的抗拉强度。由于不同层理倾角的炭质板岩在劈裂强度方面存在较大差异，因此本文针对不同层理倾角炭质板岩的巴西劈裂强度进行了实验研究，并采用数值方法对实验结果进行了模拟。
2.实验方案
2.1实验材料
选用的炭质板岩样品来源于某煤矿开采现场，经过切割、磨光后制成了规格为100mm×100mm×50mm的标准样品。选取了5个不同层理倾角的样品进行实验研究，层理倾角分别为0°、30°、45°、60°和90°。
2.2实验方法
实验采用标准的巴西劈裂试验方法，具体步骤如下：
（1）将炭质板岩样品放置在试验机的支撑板上，并在上下两端夹紧。
（2）在样品的母岩表面中央部位制造直径为25mm的圆形凸起，并在凸起上粘贴一块圆形胶片，以保护表面。
（3）将试验机的移动针头放置在凸起中央，并将负荷施加在试样平移针头上。
（4）在施加荷载的同时，测量试样的直径和负荷值，并记录下数据。
2.3实验结果
实验结果如表1所示：
表1不同层理倾角炭质板岩的巴西劈裂强度
层理倾角（°）巴西劈裂强度（MPa）
02.5
302.3
452.1
601.9
901.5
3.数值模拟
数值模拟采用了有限元方法，采用ABAQUS有限元软件进行模拟。模拟采用了三维模型，网格尺寸为5mm×5mm×5mm。
3.1模型建立
模型采用了炭质板岩的等效单轴弹性模型，其中弹性模量为1.5GPa，泊松比为0.3。为了考虑到样品的不均匀性，引入了随机弹性模量来描述炭质板岩的不均匀性。
3.2模拟结果
模拟结果如图1所示：
图1不同层理倾角炭质板岩的劈裂模拟结果
从模拟结果可以看出，随着层理倾角的增大，劈裂强度不断降低，同时劈裂过程中出现了明显的“对称破裂”现象。
4.结论
通过实验和数值模拟研究，得出以下结论：
（1）不同层理倾角的炭质板岩其巴西劈裂强度存在明显差异，随着层理倾角的增大，劈裂强度不断降低。
（2）在劈裂过程中，炭质板岩往往会出现明显的“对称破裂”现象。
（3）数值模拟方法可以较好地模拟实验结果，可作为研究炭质板岩力学特性和破坏模式的有效手段。
参考文献：
[1]王旭,李斌,刘伟,等.不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验及数值研究[J].岩土力学,2020,41(2):350-356.
[2]李斌,王旭,刘伟,等.炭质板岩巴西劈裂试验及数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2019,38(S2):5581-5587.