CN104833590A - 岩石ii型断裂韧度测试的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石II型断裂韧度的测试方法。本发明在原有剪切盒试验的基础上，通过调整加载模具受力状态和试样布置来消除试样的转动趋势，从而抑制裂纹尖端产生过大拉应力，实现岩石II型断裂韧度测试。其试验模型包括方块岩石试样和两个钢质加载模具，方块试样双侧中部预制直裂缝，两条裂缝长度、宽度相等，对称分布，加载模具实现了试样45°加载，加载端面平整，加载模具与方块试样的两个接触面宽度均为试样边长的一半，整个体系上下端受均布荷载。本发明使岩样及加载模具的加工更方便，也简化试验过程，保证了试验数据的准确性，适用于各类岩石的II型断裂韧度测试，为研究岩石II型断裂及其以II型为主的复合断裂问题奠定了基础。

Description

岩石II型断裂韧度测试的新方法

技术领域：

本发明涉及岩石II型断裂韧度的测试方法，在常规加载仪器上对方块岩石试样进行剪切断裂试验，测定岩石的II型断裂韧度。属于岩土工程技术领域。

背景技术：

目前，针对拉剪复合型裂纹大多使用I型断裂韧度来判断裂隙岩石的破坏与否，而对于压剪复合型裂纹，使用I型断裂韧度作为破坏判据得到的结果与试验测试结果差异较大，这说明该方法对于压剪复合型裂纹的破坏并不适用，因此在压剪复合型裂纹的破坏判据中引入II型断裂韧度十分重要。

迄今为止，国内外学者针对岩石II型断裂韧度的测试方法作了一系列的探索，现有的试验方法主要包括：反对称四点弯曲试验、紧凑拉伸试验、边裂纹阿康试验、中心巴西圆盘试验以及三点弯半圆盘试验等。II型断裂韧度的测试方式虽然较多，但均因无法控制裂纹尖端在加载过程中产生的拉应力，试验效果并不理想，很难得到岩石的纯II型断裂韧度。

除此之外，目前岩石的I型断裂韧度测试技术已经相对成熟，而针对II型断裂韧度的测试研究却很少见，但两者均是反应岩石工程特性的重要指标，因此对其测试方法的研究具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种操作方便，加载模具及岩样加工简单，测试效率高的岩石II型断裂韧度测试新方法，能有效解决原剪切盒试验测试繁琐、加载模具加工复杂、理论模型所受荷载与实际加载模型所受荷载差距较大、荷载不对称性引起在裂尖产生较大拉应力的问题。适用于各类岩石II型断裂韧度的测试。为断裂理论在岩石力学中的应用、为实际相关的岩土工程服务。

本发明采用的技术方案如下：

本发明为岩石II型断裂韧度测试新方法，其特征在于包括：双侧预制裂缝的方块岩石试样、两个钢质的加载模具，加载模具用以实现试样的45°加载，两模具加载端面平整；方块试样双侧预制的裂缝为直裂缝，两条裂缝长度、宽度相等，呈对称分布；钢质的加载模具与方块岩石试样的两个接触面的宽度均为方块试样边长的一半，模具的厚度与岩样一致，两个接触面呈90°夹角；加载时，方块试样双侧预 制裂缝呈45°角，上下端与加载模具接触，整个体系上下端受到试验机传递的均布荷载；试验机所加荷载及模具与岩样之间的相互作用力均呈轴对称，在变形量较小时，整个体系可视为处于静力平衡。通过试验机提供给加载模具的均布荷载传递到方块试样裂纹尖端，同时由于荷载的对称性，消除了附加弯矩在裂尖产生的较大拉应力的影响，从而实现试样的II型剪切断裂。

岩石II型断裂韧度测试新方法，包括双侧预制裂缝的方块岩石试样和两个钢质的加载模具，其特征在于包括如下步骤：

1.首先对被测岩石试样按照《工程岩体试验方法标准》制成50mm×50mm×50mm的方块试样，试体周围岩面需加工平整。

2.在铣床上，利用金刚石锯片等工具对方块岩样加工双侧对称的预制直裂缝，裂缝宽度要求小于或等于1.0mm，按照试验方案设计加工不同尺寸的裂缝长度；对于具有不同强度的岩石，无量纲长度(a/w)需大于一定的值域(0.6)，否者会出现岩样被压坏的情形。

3.将双侧预制直裂缝的方块岩石试样置于两钢质的加载模具中间，裂纹形成45°角的加载，整个测试模型置于MTS试验系统加载台上进行加载。

4.试验过程记录荷载随时间变化曲线，试样发生II型剪切断裂时的荷载为峰值荷载，记为P_max，岩石的II型断裂韧度可通过剪切盒测II型断裂韧度公式得到，公式如下：

$F\left(\frac{2a}{W}\right)=0.2364+0.9693\left(\frac{2a}{W}\right)+1.4542{\left(\frac{2a}{W}\right)}^2-2.8786{\left(\frac{2a}{W}\right)}^3+1.2242{\left(\frac{2a}{W}\right)}^4...\left(2\right)$

其中：K_IIC为岩石的II型断裂韧度；d为岩桥长度；a为单侧裂缝的长度；F(2a/W)为修正系数。

本发明为岩石II型断裂韧度测试新方法，有以下优点：

1.试验过程中仅需记录试样破坏时的峰值荷载即可得到岩石的II型断裂韧度值，可实现不同预制裂缝长度下的岩石II型断裂韧度测试。

2.在45°加载的情况下，沿裂纹面的荷载分量和侧面的应力分量将同时对岩桥产生大小相等、方向相反的弯矩，两力相互抵消，避免了试样的转动趋势导致在裂纹尖端产生过大的拉应力。

3.由于荷载的对称性及整个体系的对称性，即使试样和模具之间的变形不协调而导致应力重新分布，其影响范围也是相对较小的，而且也能保证试验过程中试样 的受力基本对称。

4.结构简单合理，制作方便，操作简单，所得岩石II型断裂韧度是研究复合型断裂的基础。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明方块试样的结构示意图。

图3为本发明加载模具的结构示意图。

参看图1、图2和图3，岩石II型断裂韧度测试的新方法，其试验模型包括双侧预制裂缝的方块岩石试样1、两个钢材质的加载模具2、3，加载模具用以实现试样的45°加载，加载模具端面平整。方块试样1双侧预制的裂缝为直裂缝，两条裂缝长度、宽度相等，呈对称分布。钢材质的加载模具2、3与方块岩石试样1的两个接触面的宽度均为方块试样1边长的一半，两个接触面呈90°夹角。方块试样1双侧预制裂缝呈45°角，上下端与加载模具2、3接触，整个体系上下端受到试验机传递的均布荷载。试验机所加荷载及模具2、3与岩样1之间的相互作用力均呈轴对称，在变形量较小时，整个体系可视为处于静力平衡。

具体实施方式：

具体实施方式包括如下步骤：

1.首先对被测岩石试样按照《工程岩体试验方法标准》制成50mm×50mm×50mm的方块试样，试体周围岩面需加工平整。

2.利用铣床、金刚石锯片等工具对方块试样加工双侧对称的预制直裂缝，裂缝宽度要求小于或等于1.0mm，裂缝长度按照试验方案设计长度加工，两裂缝端用小于0.3mm的金刚石锯线二次加工成裂尖，对于具有不同强度的岩石，无量纲长度(a/w)需大于一定的值，否者会出现岩样被压坏的情形。

3.将双侧预制直裂缝的方块岩石试样置于两钢质的加载模具中间，裂纹形成45°角的加载，整个测试模型置于MTS试验系统加载台上进行加载。

4.试验过程记录荷载随时间变化曲线，试样发生II型剪切断裂时的荷载为峰值荷载，记为P_max，岩石的II型断裂韧度可通过剪切盒测II型断裂韧度公式(1)和式(2)计算得到。 

Claims (5)

1.岩石II型断裂韧度测试的新方法，其特征在于试验模型包括双侧预制裂缝的方块岩石试样、两个钢质的加载模具，加载模具用以实现试样的45°加载，模具加载端面平整。

2.根据权利要求1所述的岩石II型断裂韧度测试的新方法，其特征在于方块试样双侧预制的裂缝为直裂缝，两条裂缝长度、宽度相等，呈对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的岩石II型断裂韧度测试的新方法，其特征在于钢质的加载模具与方块岩石试样的两个接触面的宽度均为方块试样边长的一半，模具的厚度与岩样一致，两个接触面呈90°夹角。

4.根据权利要求1或2所述的岩石II型断裂韧度测试的新方法，其特征在于加载时，方块试样双侧预制裂缝呈45°角，上下端与加载模具接触，整个体系上下端受到试验机传递的均布荷载。

5.根据权利要求1或2所述的岩石II型断裂韧度测试的新方法，其特征在于试验机所加荷载及模具与岩样之间的相互作用力均呈轴对称，在变形量较小时，整个体系可视为处于静力平衡。