CN105910899A - 同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，旨在解决无法确定无尺寸效应的岩石真实断裂韧性的技术难题。其主要步骤如下：选取试件高度W≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载P _max，经过计算得到试件的名义强度σ _n；将试件的名义强度σ _n与等效裂缝长度a _e再次计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度f _t和断裂韧度K _IC。本发明简单可行，试验易操作，且具有足够精度，且易判断结果合理性。

Description

同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，特别是涉及一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法。

背景技术

目前，进行岩石类材料的断裂韧度测试试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都有严格限制，使得岩石断裂韧度的试验试件制作和试验测试相对较为复杂。比如，美国材料与测试协会(ASTM)提出的单边直裂纹三点弯曲梁试件；国际岩石力学协会推荐采用三点弯曲圆棒试件、人字形切槽短圆棒试件、人字形切槽巴西圆盘试件等；以及其他研究者提出的单边切槽半圆盘三点弯曲试件、环形盘紧凑拉伸试件、单边直裂缝四点弯曲梁试件、边切槽圆盘劈裂试件、平台巴西圆盘试件、中心圆孔平台巴西圆盘试件等等。

根据美国ASTM E399规范，若满足线弹性断裂力学条件，测定无尺寸效应的材料断裂韧度，采用试件的厚度B，初始裂缝长度a₀，韧带尺寸W-a₀均需满足：

$\left.\begin{array}{c}B\\ a_0\\ W-a_0\end{array}\right\}\≥2.5{\left(\frac{K_{IC}}{f_t}\right)}^2$

K_IC为材料断裂韧度，f_t为材料的抗拉强度。则按ASTM的规定测定岩石的断裂韧度，试件高度W一般要达到300mm左右。而现有测定岩石断裂韧度的所用试件尺寸一般都小于ASTM规范要求，因此测定的断裂韧度处于弹塑性断裂条件下所得数据，而不是岩石类材料的真实断裂韧度。因此，如何由处于弹塑性断裂条件下的小尺寸试件，来确定无尺寸效应的岩石真实断裂韧性，是亟待解决的科学难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，本发明简单可行，试验易操作，且具有足够精度，且易判断结果合理性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

设计一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，选取试件高度W≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载P_max，经过计算得到试件的名义强度σ_n；将试件的名义强度σ_n与等效裂缝长度a_e带入式(1)计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度f_t和断裂韧度K_IC

$\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2\left(P_{max}\right)}=\frac{1}{f_t^2}+\frac{4a_e}{K_{IC}^2}---\left(1\right).$

优选的，所述试件选取的方式有两种，具体如下：

1)采用具有相同初始缝高比α，但试件高度W不同的试件，试件高度W选择3-5种变化，每个试件高度W对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a₀/W在0.20-0.60区间离散取值；

2)采用具有相同试件高度W但初始裂缝长度a₀不同的试件，试件初始缝高比选择4-6种变化，每个初始缝高比对应2-6个试件，其中试件的初始缝高比α＝a₀/W在0.0、0.05、0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80之间离散取值。

优选的，所述试件为三点弯曲梁试件、紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件。

优选的，当采用三点弯曲梁试件时，名义强度σ_n和等效裂缝长度a_e的计算方法如下：

1)基于试件的实测峰值荷载P_max，由式(2)计算出试件的名义强度σ_n；

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\frac{L}{B}{P}_{max}}{\frac{W_2\·{W_3}^3+{W_2}^4+6d_{max}\·{W_2}^2\·W_1}{3{W_1}^2}+2{\left(d_{max}\right)}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，W₁＝W-a₀；W₂＝W₁-d_max；W₃＝W₁+d_max；W为试件高度；P_max为试件实测的峰值荷载；B为试件厚度；d_max为试件的最大岩石颗粒粒径；

2)试件的等效裂缝长度a_e由式(3)计算：

$a_e(\mathrm{\α},a_0)={\[\frac{{(1-\mathrm{\α})}^2\×Y\left(\mathrm{\α}\right)}{1.12}\]}^2\×a_0---\left(3\right)$

当L/W＝2.5时，

当L/W＝4时，

当L/W＝8时，Y(α)＝1.106-1.552α+7.71α²-13.53α³+14.23α⁴；

以上各式中，a₀为试件的初始裂缝长度；α＝a₀/W为初始缝高比；Y(α)为几何影响参数；L为试件有效长度；W为试件高度。

优选的，当采用紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件时，其名义强度σ_n和等效裂缝长度a_e的计算方法如下：

1)基于试件的实测峰值荷载P_max，由式(4)计算出试件的名义强度σ_n；

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{P_{max}(3W_3+W_2)}{6B}/(\frac{{W_2}^2}{6}+\frac{d_{max}}{6}{W}_2+\frac{W_1}{2}\·d_{max})---\left(4\right)$

式(4)中，W₁＝W-a₀；W₂＝W₁-d_max；W₃＝W₁+d_max；W为试件高度；P_max为试件实测的峰值荷载；L为试件有效长度；B为试件厚度；d_max为试件的最大岩石颗粒粒径；

2)试件的等效裂缝长度a_e由式(5)计算：

$a_e(\mathrm{\α},a_0)={\[\frac{\frac{2{(1-\mathrm{\α})}^2}{2+\mathrm{\α}}\×Y\left(\mathrm{\α}\right)}{1.12}\]}^2\×a_0---\left(5\right)$

其中，

以上各式中，a₀为试件的初始裂缝长度；α＝a₀/W为初始缝高比；Y(α)为几何影响参数。

优选的，得到同种试件选择方式的不同试件的σ_n与a_e后，带入式(1)进行回归分析，即可同时测定岩石试样的抗拉强度f_t与断裂韧度K_IC。

优选的，在压力试验机或者万能试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破坏并得到每个试件实测的峰值荷载P_max。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)采用的试件尺寸不需满足现有规范对于试件高度、厚度、初始裂缝长度等的严格要求；

2)一次测试即可同时确定岩石类材料的抗拉强度及断裂韧度；

3)对于试件初始裂纹a₀的形成，只需采用切割机切缝，不需要预制裂缝。

附图说明

图1为由实施例1中采用三点弯曲梁试件的试验数据回归确定岩石的抗拉强度与断裂韧度；

其中图1(a)表示的试件尺寸为：L×B×W＝120×25×30mm，采用图1(b)表示的试件尺寸为：L×B×W＝240×50×60mm；

图2为由实施例2中采用紧凑拉伸试件试验数据回归确定岩石的抗拉强度与断裂韧度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下实施例中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料如无特别说明，均为市售材料。

实施例1：一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，包括如下步骤：采用三点弯曲梁试件，试件的岩石颗粒最大粒径d_max＝3mm，试件的选择方式为：试件高度W相同但初始裂缝长度a₀不同，且试件的初始缝高比选择4-6种变化，每个初始缝高比包括2-6个试件，采用切割机对试件切出不同的裂缝长度a₀。

本实施例中试件分为两组，第一组试件尺寸为L×B×W＝120×25×60mm，初始缝高比α＝a₀/W＝0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；第二组试件尺寸为L×B×W＝280×25×70mm,初始缝高比α＝a₀/W＝0.0、0.10、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.75；

首先在Instron5982型压力试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破坏，试验过程中记录每个试件实测的峰值荷载P_max。

试件试验完成后，基于每个试件的实测峰值荷载P_max，由式(2)计算出每个试件的名义强度σ_n；由式(3)计算每个试件的等效裂缝长度a_e；得到不同的σ_n与a_e后，带入式(1)进行回归分析，即可同时得出岩石的抗拉强度f_t与断裂韧度K_IC。

其中，如图1中(a)所示，第一组试件得到的岩石的抗拉强度f_t＝8.14MPa,断裂韧度K_IC＝1.63MPa·m^1/2；第二组试件得到的岩石的抗拉强度f_t＝8.67MPa,断裂韧度K_IC＝1.91MPa·m^1/2。第一组与第二组试件的结果吻合良好，基本一致，表明本实施例1采用的方法具有足够的精度，且易判断结果合理性。

实施例2：一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，包括如下步骤：采用紧凑拉伸试件型式，试件的岩石颗粒最大粒径d_max＝1.3mm，试件具有相同初始缝高比α＝a₀/W＝0.5，不同试件高度W＝58，100，200，300和400mm，每个试件高度W的选择包括2-4个试件。参见图2，基于每个试件的实测峰值荷载P_max，由式(4)计算出每个试件的名义强度σ_n；由式(5)计算每个试件的等效裂缝长度a_e；得到不同的σ_n与a_e后，带入式(1)进行回归分析，即可同时得出岩石的抗拉强度f_t＝10.54MPa，断裂韧度K_IC＝1.69MPa·m^1/2。

Claims (7)

1.一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，选取试件高度W≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载P_max，经过计算得到试件的名义强度σ_n；将试件的名义强度σ_n与等效裂缝长度a_e带入式(1)计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度f_t和断裂韧度K_IC

$\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2\left(P_{max}\right)}=\frac{1}{{f_t}^2}+\frac{4a_e}{K_{IC}^2}---\left(1\right).$

2.如权利要求1所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，所述试件选取的方式有两种，具体如下：

1)采用具有相同初始缝高比α，但试件高度W不同的试件，试件高度W选择3-5种变化，每个试件高度W对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a₀/W在0.20-0.60区间取值；

2)采用具有相同试件高度W但初始裂缝长度a₀不同的试件，试件初始缝高比选择4-6种变化，每个初始缝高比对应2-6个试件，其中试件的初始缝高比α＝a₀/W为0.0、0.05、0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80。

3.如权利要求2所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，所述试件为三点弯曲梁试件、紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件。

4.如权利要求3所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，当采用三点弯曲梁试件时，名义强度σ_n和等效裂缝长度a_e的计算方法如下：

1)基于试件的实测峰值荷载P_max，由式(2)计算出试件的名义强度σ_n；

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\frac{L}{B}{P}_{max}}{\frac{W_2\·{W_3}^3+{W_2}^4+6d_{max}\·{W_2}^2\·W_1}{3{W_1}^2}+2{\left(d_{max}\right)}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，W₁＝W-a₀；W₂＝W₁-d_max；W₃＝W₁+d_max；W为试件高度；P_max为试件实测的峰值荷载；B为试件厚度；d_max为试件的最大岩石颗粒粒径；

2)试件的等效裂缝长度a_e由式(3)计算：

$a_e(\mathrm{\α},a_0)={\[\frac{{(1-\mathrm{\α})}^2\×Y\left(\mathrm{\α}\right)}{1.12}\]}^2\×a_0---\left(3\right)$

当L/W＝2.5时，

当L/W＝4时，

当L/W＝8时，Y(α)＝1.106-1.552α+7.71α²-13.53α³+14.23α⁴；

以上各式中，a₀为试件的初始裂缝长度；α＝a₀/W为初始缝高比；Y(α)为几何影响参数；L为试件有效长度；W为试件高度。

5.如权利要求3所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，当采用紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件时，其名义强度σ_n和等效裂缝长度a_e的计算方法如下：

1)基于试件的实测峰值荷载P_max，由式(4)计算出试件的名义强度σ_n；

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{P_{max}(3W_3+W_2)}{6B}/(\frac{{W_2}^2}{6}+\frac{d_{max}}{6}{W}_2+\frac{W_1}{2}\·d_{max})---\left(4\right)$

式(4)中，W₁＝W-a₀；W₂＝W₁-d_max；W₃＝W₁+d_max；W为试件高度；P_max为试件实测的峰值荷载；L为试件有效长度；B为试件厚度；d_max为试件的最大岩石颗粒粒径；

2)试件的等效裂缝长度a_e由式(5)计算：

$a_e(\mathrm{\α},a_0)={\[\frac{\frac{2{(1-\mathrm{\α})}^2}{2+\mathrm{\α}}\×Y\left(\mathrm{\α}\right)}{1.12}\]}^2\×a_0---\left(5\right)$

其中，

以上各式中，a₀为试件的初始裂缝长度；α＝a₀/W为初始缝高比；Y(α)为几何影响参数。

6.如权利4或5所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，得到同种试件选择方式的不同试件的σ_n与a_e后，带入式(1)进行回归分析，即可同时测定岩石试样的抗拉强度f_t与断裂韧度K_IC。

7.如权利要求1-5任一所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，其特征在于，在压力试验机或者万能试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破坏并得到每个试件实测的峰值荷载P_max。