改進(jìn)巴西試驗(yàn)：從平臺巴西圓盤到切口巴西圓盤1)

王啟智李煉吳禮舟黃潤秋

?(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059)?(四川大學(xué)土木工程及應(yīng)用力學(xué)系，成都610065)

創(chuàng)刊60周年專欄

改進(jìn)巴西試驗(yàn)：從平臺巴西圓盤到切口巴西圓盤1)

王啟智?,?,2)李煉?,?吳禮舟?黃潤秋?

?(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059)?(四川大學(xué)土木工程及應(yīng)用力學(xué)系，成都610065)

巴西試驗(yàn)是測試混凝土、陶瓷、巖石等脆性或準(zhǔn)脆性材料拉伸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法，在材料科學(xué)和土木工程中有廣泛的應(yīng)用，研究該方法的改進(jìn)在科學(xué)和工程界都受到日益增長的關(guān)注.我們對巴西試驗(yàn)的原始試樣即巴西圓盤(Brazilian disc,BD)提出一種新的構(gòu)型：切口巴西圓盤(grooved Brazilian disc,GBD)，利用GBD加載直徑兩端的窄而淺的切口，消除完整巴西圓盤對徑壓縮加載時可能非中心起裂的缺點(diǎn)，這一點(diǎn)與我們過去提出的平臺巴西圓盤(flattene Brazilian disc,FBD)相同.GBD的構(gòu)型更普適，因?yàn)樗w了巴西圓盤和平臺巴西圓盤.對于求解GBD切口頂點(diǎn)及其正前方近鄰的應(yīng)力，提出兩個近似解析模型，分別求出對應(yīng)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，用疊加原理最后推出的公式能夠定性地預(yù)測應(yīng)力的變化趨勢，以及試樣幾何參數(shù)的影響.近似解析公式，有限元數(shù)值計算，對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都證實(shí)，對徑壓縮圓盤的幾何與表面邊界條件的一個微小的改變，對巴西試驗(yàn)試樣的幾何穩(wěn)定性和斷裂過程產(chǎn)生顯著和有利的影響.利用推出的切口應(yīng)力公式進(jìn)行試樣幾何參數(shù)的優(yōu)化選擇，可以使GBD比BD和FBD更具優(yōu)越性.

巴西試驗(yàn),切口巴西圓盤,平臺巴西圓盤,解析,數(shù)值,實(shí)驗(yàn)

引言

70多年前，巴西學(xué)者Carneiro FLLB首先提出利用對徑壓縮圓盤試樣測試混凝土的拉伸強(qiáng)度[1](圖1)，該方法被冠名巴西試驗(yàn).其后，著名的國際學(xué)會都將其定為測試混凝土、巖石等脆性或準(zhǔn)脆性材料的拉伸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法[23].巴西試驗(yàn)的彈性力學(xué)原理由力學(xué)大師赫芝和鐵摩辛科給出[4]，其計算公式為[2-4]

式(1)表達(dá)的是含圓心的中部約80%加載直徑上的均勻拉伸應(yīng)力場.式中的P為作用在圓盤上的集中力，當(dāng)P為臨界值時求出的σt為拉伸強(qiáng)度，D為圓盤直徑，t為圓盤厚度.

圖1 巴西圓盤Fig.1 Brazilian disc

巴西試驗(yàn)由平板加載施加的集中力，會使起裂點(diǎn)發(fā)生在力接觸點(diǎn)附近即圓盤邊緣，而不是圓盤的中心附近，這違背了巴西圓盤(Brazilian disc,BD)試驗(yàn)的彈性力學(xué)原理[4]，使試驗(yàn)失效，這是由于式(1)不適用于靠近圓周邊緣約20%的加載直徑.為了解決此關(guān)鍵問題，我們曾提出平臺巴西圓盤(flattene Brazilian disc,FBD)[57](圖2)，適當(dāng)選擇面力加載角即平臺角2β可以滿足中心起裂的條件.FBD的測試原理是基于這種試樣獨(dú)特的載荷--位移曲線的兩個臨界點(diǎn)，分別對應(yīng)載荷的最大值和其后的局部最小值，不僅可測拉伸強(qiáng)度，還可以用來測斷裂韌度，這一工作[57]得到海內(nèi)外學(xué)者廣泛的認(rèn)可和引用.以平臺巴西圓盤(FBD)為先導(dǎo)[57]，繼平臺圓環(huán)(flattene ring,FR，或holed flattene Brazilian disc,HFBD)和壓縮圓孔板(drilled compression,DC)之后[8]，我們又提出更加普適的切口巴西圓盤(grooved Brazilian disc,GBD)(圖3).

圖2 平臺巴西圓盤Fig.2 Flattened Brazilian disc

圖3 切口巴西圓盤Fig.3 Grooved Brazilian disc

提出GBD的思路與平臺巴西圓盤類似，為了避免完整圓盤在加載時可能的非中心起裂，在危險區(qū)邊緣挖去一點(diǎn)，類似醫(yī)生切除腫瘤.GBD在圓盤的加載直徑兩端對稱地加工切口，其深度a，寬度2b，半圓形切口底部半徑b.這一新的試樣構(gòu)型，涵蓋了圓盤直徑兩端的圓弧，平臺，切口或裂紋這三種情況：a=0，b≠0為平臺巴西圓盤；a=0，b=0為原始的巴西圓盤；a≠0，b=0為裂口巴西圓盤(cracked Brazilian disc,CBD)，但是CBD實(shí)際不容易實(shí)現(xiàn).材料試驗(yàn)機(jī)平板加載時，一對大小是P/2的集中力壓在切口的兩個邊緣(圖3)，使切口尖點(diǎn)局部應(yīng)力反壓為拉.為了使起裂點(diǎn)不是切口尖點(diǎn)，該尖點(diǎn)O的拉應(yīng)力，要比對徑壓縮完整圓盤時直徑中部的拉應(yīng)力的值小，或者不能大太多，文中會有具體分析.下面的第1，2節(jié)是GBD的兩個應(yīng)力解析解，第3節(jié)是數(shù)值解，第4節(jié)實(shí)驗(yàn)是針對3種試樣構(gòu)型(BD,FBD,GBD)有效性的比較.第5節(jié)是結(jié)論和討論.

1 GBD切口尖點(diǎn)的正應(yīng)力解析解

由于切口的尖點(diǎn)O的應(yīng)力σo(0)不可能有精確解，見圖4(a)，我們提出一個近似分析的方法，即基于兩個模型分析應(yīng)力的疊加.把加載分為兩步：先加載完整圓盤，如圖4(b)，即模型1，求出壓縮應(yīng)力σo1；然后挖掉一點(diǎn)加載直徑末端的物質(zhì)，形成底部半圓形的切口，并在槽邊壁加上面力p，或其等效力Q，見圖4(c)，即模型2，求出拉伸應(yīng)力σo2.

圖4 GBD切口頂點(diǎn)應(yīng)力分析的疊加模型σo=σo1+σo2Fig.4 Stressat thegrooveapex of GBD,analysis isbased on superposition of twomodels

用模型1考慮切口尖點(diǎn)的壓縮效應(yīng)，由于切口小，假設(shè)切口的曲邊邊界可以當(dāng)成直線邊界，分別考慮圖4(b)中兩個集中力P/2的作用，用符拉芒(Flament)解[4]得到模型1的結(jié)果.用模型2考慮切口的拉伸效應(yīng)，圖4(c)要在原來自由的切口邊上加上面力邊界條件，該面力仍然由符拉芒解確定，但這樣做比較復(fù)雜.換一種思路，由于拉伸效應(yīng)是由彎曲引起，只要求出與原始一對集中力P/2對切口尖點(diǎn)的彎矩相等的切口開口處的一對張力Q即可，然后用帕里斯(Creager-Paris)解[9]得到模型2的結(jié)果.將模型1和模型2的結(jié)果疊加就是圖4(a)的近似解析解.

1.1 兩個模型的近似解析解

1.1.1 模型1的符拉芒解[4]

圖5為半平面體在邊界上受法向集中力P，符拉芒解給出一點(diǎn)(a,θ)深度和極角的應(yīng)力公式[4]

圖5 半平面體在邊界上受法向集中力Fig.5 Half plane subjected to a concentrated forceon itsboundary

根據(jù)圖4(b)模型1，用符拉芒解求出切口尖點(diǎn)位置O處的壓縮應(yīng)力σo1，它對應(yīng)符拉芒解中的σy分量，與sinθ,cosθ,a有關(guān)，最終和切口幾何尺寸a,b有關(guān).

將式(3)代入式(2)中的σy得式(4),即圖4(b)中的σo1

1.1.2 模型2的帕里斯解[9]

如圖4(c)所示，欲求半圓弧切口的尖點(diǎn)O及其正前方的拉伸應(yīng)力，可用斷裂力學(xué)的帕里斯解[9].切口的兩側(cè)有面力p的邊界條件，為了簡化分析，只考慮彎曲拉伸作用，故只要求出與原來的一對集中力P/2對切口的尖點(diǎn)O彎矩相同的一對等效集中力Q即可,如圖4(c),Q作用在切口開口處.彎矩相同的等效集中力就是Q=Pb/2a.當(dāng)b/a=0時切口變?yōu)榱鸭y，由應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊[10]可查得，其應(yīng)力強(qiáng)度因子為

根據(jù)帕里斯解[9]，切口尖點(diǎn)拉應(yīng)力是

將式(5)代入式(6)，得出σy,即圖4(c)中σo2

1.2 切口尖點(diǎn)的正應(yīng)力σo(0)

疊加模型1和模型2的解,就是圖4(a)中切口尖點(diǎn)應(yīng)力的σo的近似解析解

求得的應(yīng)力σo與由式(1)計算的應(yīng)力σt的比值為

其中，令形狀因子F為

形狀因子F描繪在圖6中，橫坐標(biāo)已采用以10為底的對數(shù)表示.

切口的尺寸b/a值過小時GBD退化為CBD，b/a過大會使加載時GBD實(shí)際受力與FBD類似.考慮實(shí)際情況，b/a值在合理范圍內(nèi)取0.1～10，采用對數(shù)坐標(biāo)得到F隨b/a的變化曲線如圖6所示，F(xiàn)值隨著b/a值的增大而增大.b/a在0.1～1范圍內(nèi)F值緩慢增加，在1～10范圍內(nèi)急劇增加，這是由于b/a越大，彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的拉伸效應(yīng)起到主要作用.

圖6 式(9)和式(10)的形狀因子F(b/a)Fig.6 Shape factor F(b/a)in Eqs.(9)and(10)

2 GBD切口尖點(diǎn)正前方近鄰的正應(yīng)力解析解

與第1節(jié)的分析類似，現(xiàn)在考慮GBD切口尖點(diǎn)正前方近鄰的一點(diǎn)，見圖7,其坐標(biāo)是x，作用在該點(diǎn)的壓應(yīng)力[4]是σo1(x)

拉應(yīng)力是[9]

推導(dǎo)式(12)時，注意切口對應(yīng)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子仍然是式(5).x=0時，式(11)退化為式(4)，式(12)退化為式(7).式(11)和式(12)疊加后總應(yīng)力是

圖7 切口尖點(diǎn)o正前方應(yīng)力σo(x)Fig.7 Stressσo(x)atstraightahead of groove’sapex

其中形狀因子Y為

式(14)中的形狀因子Y描繪在圖8中.每一條曲線對應(yīng)一個b/a值，b/a取0.2,0.4,0.6,0.8,1時，GBD切口尖點(diǎn)正前方近鄰，即x/a為0.1～1.在O點(diǎn)產(chǎn)生Y局部最大值，隨后，Y值隨著x/a急劇下降.因此，當(dāng)D/2a為某一定值時，σo(x)在尖點(diǎn)處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力后急劇下降，注意這一拉應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生于局部，且范圍較小.

圖8 式(13)和式(14)的形狀因子Y(x/a)Fig.8 Shape factor Y(x/a)in Eqs.(13)and(14)

對徑壓縮完整圓盤時，加載直徑上產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)約占直徑的80%，假設(shè)GBD挖去的切口深度a最大值等于此壓應(yīng)力區(qū)的長度，即(D/2a)min=5.由圖6可得b/a最小值為0.1，此時x=0.624，即(σo/σt)m in=3.12，由最大應(yīng)力準(zhǔn)則似乎不滿足中心起裂的條件.但由圖8可知其應(yīng)力會急劇下降.因而，只要選擇合適的構(gòu)型尺寸,GBD中心起裂是有可能的，稍后再加分析.

3 數(shù)值解

3.1 切口尖點(diǎn)的正應(yīng)力σo(0)

建立1/4GBD有限元模型，使用ANSYS有限元軟件的plane82平面應(yīng)變單元劃分網(wǎng)格，共1272個單元，3941個節(jié)點(diǎn).求解不同D/2a和b/a值條件下GBD的尖點(diǎn)應(yīng)力σo(0)，其有限元模型及無量綱化后的σo/σt即σo/(2P/πDt)繪于圖9.圖9顯示，在b/a∈[0.1～2]范圍內(nèi)，當(dāng)D/2a=100時，σo/σt曲線出現(xiàn)負(fù)值且隨b/a增大而增大；隨著D/2a值的減小，σo/σt曲線呈現(xiàn)先增后減的特征.b/a越小，GBD可退化為CBD，甚至接近BD，因此，圖中D/2a值較大時，尖點(diǎn)應(yīng)力出現(xiàn)零值甚至負(fù)值.

圖9 FEM模型和數(shù)值計算GBD切口尖點(diǎn)O的應(yīng)力σoFig.9 FEM modeland calculatedσoat theapex of thegroove

圖10 為當(dāng)D/2a=20，b/a變化時，式(9)與數(shù)值模擬結(jié)果對比.當(dāng)b/a=0.1時，σo/σt比值式(9)的結(jié)果為12.48，數(shù)值結(jié)果為12.32，兩者相差無幾.但b/a比值越大，兩者結(jié)果差異就越大.因?yàn)橥茖?dǎo)公式時把切口的曲邊邊界當(dāng)成直邊邊界，尖點(diǎn)離邊界越近，即D/2a比值越大；且切槽寬度越大，即b/a比值越大，圓弧邊界對其切口底部應(yīng)力影響越大.

圖10 D/2a=20時式(9)與數(shù)值結(jié)果對比Fig.10 Comparison between formula(9)and numerical resultswhen D/2a=20

3.2 加載直徑上的應(yīng)力分布

為了保證加載過程中試樣中心起裂，尖點(diǎn)的拉應(yīng)力要小，選擇恰當(dāng)?shù)腄/2a值使(σo/σt)min值盡可能小.因此計算D/2a取100/4,100/6,100/8,b/a取0.5,1.0,1.5,2.0時，GBD圓盤加載直徑上的應(yīng)力分布.結(jié)果為圖11.D/2a值越小，在切口尖點(diǎn)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力值也越小，這與前文分析一致.當(dāng)D/2a=100/4時會出現(xiàn)壓縮區(qū)，D/2a值減小，壓縮區(qū)范圍減小，甚至消失.圖11顯示,尖點(diǎn)處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力后急劇下降，會出現(xiàn)小負(fù)值，即壓應(yīng)力.由于拉伸應(yīng)力從切口尖點(diǎn)處開始迅速下降，甚至還可能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，而且此處的應(yīng)力場是非均勻的，應(yīng)力下降的梯度很大，因此，即使切口尖點(diǎn)處的拉伸應(yīng)力大于2P/πDt，最大拉伸應(yīng)力破壞準(zhǔn)則也不適用.對準(zhǔn)脆性材料的破壞，要考慮一個重要的參數(shù)即材料特征長度，求其上的平均應(yīng)力，或者用臨界距離理論(theory of criticaldistance)對應(yīng)的點(diǎn)應(yīng)力[1112]，因此，起裂就可能不發(fā)生在切口尖點(diǎn)，或者即使是短暫地發(fā)生也不能持續(xù)擴(kuò)展.這一點(diǎn)也被下一節(jié)的實(shí)驗(yàn)觀察所證實(shí).

由圖11可知：對所選取的切口幾何參數(shù)，GBD直徑中部約80%的拉伸應(yīng)力是均勻的，而且就等于2P/πDt，與完整圓盤時相同.因此，若GBD滿足中心起裂條件，就可以用式(1).在圖12中，式(13)和式(14)給出切口尖點(diǎn)正前方近鄰的應(yīng)力的解析解，比數(shù)值計算結(jié)果大，但趨勢一致.

圖11 數(shù)值計算不同幾何參數(shù)GBD圓盤加載直徑上的應(yīng)力分布Fig.11 FEM calculated stressdistribution along loading diameter forGBD w ith di ff erentgeometric parameters

圖12 b/a=1.0時式(13)與數(shù)值計算結(jié)果對比Fig.12 Comparison between formula(13)and numerical resultswhen b/a=1.0

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證上文理論及數(shù)值分析的正確性，特別是驗(yàn)證GBD是否在中心起裂.試樣石材選自四川雅安的青砂巖巖芯，其顆粒細(xì)致緊密，分布均勻，泊松比為0.21，密度為3.055g/cm3，彈性模量為17.67GPa.共取12個圓盤，直徑100mm，厚度30mm.然后制作6個GBD，切口尺寸參數(shù)是b/a=0.5，D/2a=100/4；3個FBD加載平臺角為20°；3個BD就是原始圓盤.用GBD，F(xiàn)BD，BD作對比研究.

實(shí)驗(yàn)在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS-815剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，機(jī)架剛度為10.5GN/m，直接對圓盤進(jìn)行徑向單軸壓縮，采用0.05mm/m in的位移加載速率進(jìn)行控制.3種圓盤試件典型的載荷--位移曲線如圖13所示.加載時，GBD和BD載荷--位移(P-v)曲線達(dá)到最大載荷后，載荷直接下降；而FBD會出現(xiàn)二次倒拐現(xiàn)象，最大載荷后面會發(fā)生一個先下降后上升的過程.

圖13 加載圓盤試件和載荷--位移曲線Fig.13 Specimen and load-displacementcurves

圖14 3種試件裂紋起裂位置與擴(kuò)展方向Fig.14 Typicalphotosof crack initiation location and propagation for GBD,FBD,and BD

圓盤試件徑向受壓在中心處起裂，隨后裂紋將沿徑向擴(kuò)展，若在非中心起裂則為失效試件.圖14為數(shù)碼相機(jī)拍攝的3種試樣的破裂情況，照片經(jīng)軟件處理后得到每隔0.04 s記錄的圖片，可以清晰地觀察到試件的裂紋起裂位置及擴(kuò)展方向.圖14(a)顯示，GBD-3試件從圓盤中心處先起裂，產(chǎn)生細(xì)裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，中心裂紋的寬度也在逐漸增大，但切口附近沒有裂紋.從圖14(b)可觀察到FBD-3試件也有同樣的現(xiàn)象.圖14(c)中的BD-1試件觀察到邊緣起裂后的裂紋擴(kuò)展，(0.04s后)瞬間出現(xiàn)貫穿直徑的主裂紋，及加載點(diǎn)附近產(chǎn)生的次生裂紋.當(dāng)然，對裂紋擴(kuò)展路徑更加精細(xì)的觀察需要動用高速攝影裝置.

6個GBD試件中有5個能成功觀察到中心起裂，徑向裂紋沿加載直徑擴(kuò)展.加載平臺滿足一定角度的FBD試件可以保證中心起裂[7]，實(shí)驗(yàn)選用的3個FBD試件均為中心起裂.而3個BD試件，僅有一個(BD-1)中心起裂，非中心起裂的試件最大載荷值小，數(shù)據(jù)分散.全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,ˉPmax為最大載荷平均值.

表1 3種圓盤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimentaldata forGBD,FBD,and BD

非中心起裂的測試是無效的，從表1可知有效最大載荷的平均值：GBD是24.9 kN，F(xiàn)BD是26.19kN，GBD是FBD的92%.GBD有恰當(dāng)?shù)那锌趲缀螀?shù)就可以直接應(yīng)用式(1)，而FBD用式(1)時要乘一個系數(shù)0.95，這是文獻(xiàn)[6]標(biāo)定的結(jié)果，顯然，0.92與0.95非常接近，這也說明了GBD測試結(jié)果的有效性.3個BD測試結(jié)果中有2個是無效的.

5 結(jié)論

發(fā)表在學(xué)科期刊(IJRMMS,JMPS)上的論文[13-16]表明，解決巴西試驗(yàn)長期存在的問題，一直是國際巖石力學(xué)和固體力學(xué)研究的一個熱點(diǎn).為了克服BD可能非中心起裂的缺點(diǎn)，必須減弱加載端的壓應(yīng)力集中.早前提出的FBD做到這一點(diǎn)[57]，本文提出的GBD甚至反壓為拉，產(chǎn)生切口頂部的拉伸應(yīng)力.研究表明，只要對圓盤幾何邊界做一微小的改變，可以顯著地改變施力點(diǎn)附近的應(yīng)力，從而影響試樣測試的幾何穩(wěn)定性和斷裂過程.

對GBD的切口應(yīng)力解提出的近似解析模型是有效的，由此推出的近似公式能夠預(yù)測切口尖點(diǎn)和正前方應(yīng)力的變化趨勢，被有限元分析證實(shí).公式可用于GBD試樣幾何參數(shù)的選擇，較小的b/a值和合適的D/2a值，可使切口尖點(diǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力值較小，避免切口尖端先于中心起裂.選取恰當(dāng)?shù)那锌趲缀螀?shù)，GBD中部直徑的拉應(yīng)力與BD一樣，可以直接應(yīng)用公式(1).初步建議的GBD尺寸范圍為b/a為(0.5～2)，D/2a為(15～30).

實(shí)驗(yàn)說明，BD在集中力作用下壓應(yīng)力集中程度很高，容易引發(fā)圓盤邊緣開裂，且最大載荷數(shù)據(jù)分散，使巴西試驗(yàn)的有效性不高.GBD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效性比BD顯著提高，如果在切口用細(xì)圓棒加載可能更好.GBD和FBD試樣加工的幾何精度(平行度，對稱性)會影響加載準(zhǔn)確性(點(diǎn)接觸，面接觸，1點(diǎn)接觸，2點(diǎn)接觸).GBD沿直徑一分為二的斷面比FBD和BD都要規(guī)整.

GBD還不能像FBD那樣得到載荷-位移曲線的第2個拐點(diǎn)用于斷裂韌度測試.因?yàn)镚BD中心起裂后成為中心穿透直裂紋切口巴西圓盤(crack straight through grooved Brazilian disc,CSTGBD)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子與中心穿透直裂紋巴西圓盤(crack straight through Brazilian disc,CSTBD)類似，隨裂長單調(diào)上升；與中心穿透直裂紋平臺巴西圓盤(crack straight through flattene Brazilian disc,CSTFBD)[17]的先升、后降有一個最大值不類似.

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IMPROVEMENTOFBRAZILIAN TEST:FROM FLATTENED BRAZILIAN DISC TO GROOVED BRAZILIAN DISC1)

Wang Qizhi?,?,2)Li Lian?,?Wu Lizhou?Huang Runqiu??(

State Key Laboratory ofGeohazard Prevention and Geoenvironmental Protection，Chengdu 610059，China)?(DepartmentofCivil Engineering and Applied Mechanics，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Brazilian test,astandardmethod formeasuring the tensilestrength of concrete,ceram ics,rock,and otherbrittle orquasi-brittlematerials,hasbeenw idely applied inmaterialsscienceand civilengineering,research on its improvement attracted ever-grow ing attention in scientifi and engineering communities.We ideate a new specimen configuratio to improve the Brazilian test,i.e.grooved Brazilian disc(GBD),w ith a pair of narrow and shallow groove produced at opposite ends of the loading diameter,GBD relieves the shortcom ing of non-central crack initiation possibly inherent to the original complete Brazilian disc(BD)under diametrically compression,having the samemerit pertaining to our previously-proposed flattene Brazilian disc(FBD).GBD isalsomoregeneral in specimen configuration as it represents both BD and FBD.Moreadvantagesmay beobtained if thegeometric parametersofGBD aresuitably chosenby referring to the analytical stress formulas,derived by superposition of twomodelswe proposed for solving the compressive stressand tensile stress respectively.The derived two simple stress formulas can be used to predict qualitatively the stress evolution trend,both at and near the front of the apex of the groove,and also the influencin geometric parameters of GBD,which are also confirme by quantitative numerical calculationsw ith finit elementmethod.The analytical formulas,numerics and comparative experimental result jointly indicate：a slight change in the geometry and surface boundary condition of a disc-type specimen under diametral compression turns around a substantially favorable change for the stability and fracture processof the specimen,making theGBDmore favourable in the Brazilian test.

Brazilian test,grooved Brazilian disc,flattene Brazilian disc,analysis,simulation,experiment

O346.1+1，TU458+.3

A

10.6052/0459-1879-17-031

2017-01-21收稿，2017-04-10錄用,2017-04-13網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國家自然科學(xué)基金(41672282)和地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLG2016K015)資助項目.

2)王啟智,教授,主要研究方向：巖石和混凝土等材料和結(jié)構(gòu)的動態(tài)斷裂.E-mail：qzwang2004@163.com

王啟智,李煉,吳禮舟,黃潤秋.改進(jìn)巴西試驗(yàn)：從平臺巴西圓盤到切口巴西圓盤.力學(xué)學(xué)報,2017,49(4)：793-801

Wang Qizhi,Li Lian,Wu Lizhou,Huang Runqiu.Improvementof Brazilian test：From flattene Brazilian disc to grooved Brazilian disc.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2017,49(4)：793-801