CN106290002A - 基于三点弯曲试验的岩石ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，其步骤如下：在三点弯曲试件中部预制一条Ⅰ型裂纹，在试件的指定分析区域进行喷射散斑处理，然后对其进行三点弯曲试验。同时，对指定分析区域进行全过程连续拍照，采集数字图像，通过分析，获得三点弯曲试件的指定分析区域试验全过程的水平拉应变ε h。在试验后的三点弯曲试件上取芯，制作巴西劈裂圆盘试样，然后对其进行尖端式巴西劈裂试验，获得极限拉应变ε T，将其与各个ε h对比，获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T时的时间节点。根据第二强度准则，获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹的裂纹扩展全过程信息。本发明方法操作简易、试验结果精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石断裂力学试验方法，尤其是一种基于三点弯曲试验对岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程进行检测的方法。
背景技术
关于岩石裂纹的扩展过程研究，目前比较通用的是采用高速摄像机进行连续拍摄，然后得出相对定性的结果。随着计算机软件的发展，非接触式量测逐渐普及，效果较为显著的应属基于数字散斑相关方法（DSCM）原理的数字照相应变场量测技术。数字照相应变场量测可以理解为利用高清数码相机等图像采集设备，首先对观测目标进行照相，利用数字图像分析软件在计算机上进行目标变形计算或特征识别的一种现代量测新技术。该方法可以实现动态、高速采集，但是由于裂纹扩展过程的复杂性，数字照相量测方法仅能获得裂纹附近的应变场等演化特征，而无法定量判断裂纹的宏观起裂以及获得裂纹扩展全过程的信息。
发明内容
本发明的目的是克服现有测试手段的不足，提供一种简便、精确的基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法。
本发明基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，包括如下步骤：
a.首先对需测试的工程岩体取样，试样经切割、打磨等工序，制作成扁平状长方体试件，称作三点弯曲试件，并在中部预制一条Ⅰ型裂纹。所述Ⅰ型裂纹的裂纹面与试件长边垂直并位于长边中部。在试件的侧面（Ⅰ型裂纹面的垂直面）Ⅰ型裂纹上方指定一个分析区域，在试件的指定分析区域进行喷射散斑处理，以利于后续数字图像的分析计算。
b.将三点弯曲试件平整地放置于三点弯曲试验机上，使得Ⅰ型裂纹开口向下，对三点弯曲试件进行三点弯曲试验。在三点弯曲试件的正前方设置高速相机，高速相机镜头高度与三点弯曲试件平行，高速相机镜头处于Ⅰ型裂纹所在的竖直面内。在三点弯曲试验进行的同时，高速相机对试件上的指定分析区域进行全过程连续高速拍照（拍照速度根据现有相机拍照技术条件和采集数字图像技术分析的需要，而设定），采集数字图像。
c.采用目前比较通用的基于数字散斑相关方法（DSCM）原理的数字照相应变场量测软件，对采集到的三点弯曲试件试验全过程的数字图像进行一一分析，获得三点弯曲试件的指定分析区域试验全过程的水平拉应变ε h。
d.由于三点弯曲作用下，Ⅰ型裂纹的扩展路径具有唯一性，即沿着裂纹方向发展，试验完以后三点弯曲试件会断裂成几乎对称的两块，在断裂完以后的三点弯曲试件的指定位置进行取芯，并通过打磨等工序，制作成巴西劈裂圆盘试样。
e.在巴西劈裂圆盘试样正中心水平方向粘贴应变片，并与静态应变数据采集仪连接，将巴西劈裂圆盘试样竖直放置于压力试验机上，圆盘上下各垫一条刚性垫条，试验机压头作用于刚性垫条，然后开始尖端式巴西劈裂试验，通过处理应变片采集的信息，获得圆盘试样的极限拉应变ε T。
f将巴西劈裂试验获得的极限拉应变ε T与三点弯曲试验全过程的指定分析区域（4）的水平拉应变ε h一一对应对比，获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T时的时间节点。
g.根据第二强度准则，获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹的裂纹起裂荷载、起裂能以及裂纹扩展速度等全过程信息。
所述三点弯曲试件，长度与高度的比值在2.5-4.0之间，其厚度W为25～50mm。
所述三点弯曲试件的Ⅰ型裂纹的宽度≦1.5mm（其最小值不做限定，以切割技术产生的切割缝隙最小宽度为限）。Ⅰ型裂纹的深度为试件高度的0.35-0.50倍。
本发明与现有的判别岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程的方法相比，具有操作简易、试验结果更加精确等优点。本发明通过对三点弯曲试验后的试件进行取芯并获得巴西劈裂圆盘试样，再对圆盘试样进行巴西劈裂试验，得到圆盘试样的极限拉应变，因为圆盘试样本身就取自断裂后的三点弯曲试件，圆盘试样的极限拉应变即为三点弯曲试件的极限拉应变；得到三点弯曲试件的极限拉应变ε T后，由ε T一一对应指定分析区域全过程的应变场，就可以获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T时的时间节点。同时，通过本发明方法，可以准确的获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹起裂荷载、起裂能以及裂纹扩展速度等全过程信息。
附图说明
图1本发明方法三点弯曲试验示意图。
图2本发明方法巴西圆盘取样位置示意图。
图3本发明方法巴西劈裂试验示意图。
图4基于巴西劈裂试验的岩石极限拉应变确定示意图。
图5本发明方法三点弯曲试件立体示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施列对本发明作更进一步的说明。
本发明基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，具体如下：
首先对试验工程岩体取样并制成扁平状长方体试件1（三点弯曲试件），并在其中部预制一条Ⅰ型裂纹2。所述Ⅰ型裂纹的裂纹面与试件长边垂直并位于长边中部。一般地，三点弯曲试件的Ⅰ型裂纹的深度h为试件高度H的0.35-0.50倍。
对试件进行三点弯曲试验（见图1）。首先按照图1所示的方式，放置好三点弯曲试件。将三点弯曲试件平整的放置于三点弯曲试验机上，下端面两侧各有一个垫条，上端面中部为一个垫条，Ⅰ型裂纹的开口向下，作用力F作用在Ⅰ型裂纹的正上方。试验前在试件的指定分析区域4进行喷射散斑处理。在三点弯曲试件的正前方设置高速相机3，高速相机镜头高度与三点弯曲试件1平行，高速相机镜头处于Ⅰ型裂纹2所在的竖直面内。在三点弯曲试验进行的同时，高速相机对试件上的指定分析区域4进行全过程连续高速拍照（拍照速度根据现有相机拍照技术条件和采集数字图像技术分析的需要，而设定），采集数字图像。
配合数字散斑相关方法（DSCM）对指定分析区域4进行实时观测与记录，对采集到的三点弯曲试件试验全过程的数字图像进行一一分析，获得三点弯曲试件的指定分析区域试验全过程的水平拉应变ε h。
由于三点弯曲作用，Ⅰ型裂纹的扩展路径具有唯一性，即沿着裂纹方向发展，试件经过三点弯曲试验后发生断裂，在断裂完以后的试件的指定位置5进行取芯（见图2），并制成巴西劈裂圆盘试样6。
在巴西劈裂圆盘试样6正中心水平方向粘贴应变片7，并与静态应变数据采集仪8连接，将巴西劈裂圆盘试样6竖直放置于普通压力试验机上，圆盘上下各垫一条刚性垫条9，试验机压头作用于刚性垫条9，然后开始尖端式巴西劈裂试验，通过处理应变片采集的信息，获得巴西劈裂圆盘试样6的极限拉应变ε T。
将巴西劈裂试验获得的极限拉应变ε T与三点弯曲试验全过程的指定分析区域（4）的水平拉应变ε h一一对应对比，获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T时的时间节点（见图4）。
根据第二强度准则，获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹起裂荷载、起裂能以及裂纹扩展速度等全过程信息。
具体检测：首先对高H、长L、厚W分别为60mm、160mm、30mm的扁平状长方体砂岩试样中部切割一条Ⅰ型裂纹2，Ⅰ型裂纹深度h为27.5mm，裂纹宽度f约0.5mm，在Ⅰ型裂纹上方标出试件的指定分析区域4，为50×30mm的长方形区域，进行喷射散斑处理，然后将三点弯曲试样平整放置于三点弯曲试验机上，进行三点弯曲试验，试验时采用位移加载方法，加载速率为1.33×10-3mm/s；在三点弯曲试验进行的同时，采用一个高速摄像机在试件正前方对试件上的散斑分析区域进行全过程连续高速拍照，采集数字图像，拍摄速度为每秒钟20张照片。三点弯曲试验结束过后，采用基于数字散斑相关方法（DSCM）原理的PhotoInfor数字照相应变场量测软件，对采集到的三点弯曲试件试验全过程的数字图像进行分析，获得散斑分析区域的全过程水平应变ε h。三点弯曲试验结束以后三点弯曲试件断裂成几乎对称的两块，在断裂完以后的试件的指定位置进行取芯，并通过打磨等工序，制作成巴西劈裂圆盘试样，尺寸为Φ50×30mm。在圆盘试样正中心水平方向粘贴应变片，并与静态应变数据采集仪连接，将巴西劈裂圆盘试样竖直放置于普通压力试验机上并开始尖端式巴西劈裂试验（试验速率为1.33×10-3mm/s），获得圆盘试样的极限拉应变ε T为0.85×10-3。将巴西劈裂试验获得的极限拉应变ε T（ε T=0.85×10-3）与三点弯曲试验全过程的指定分析区域（4）的水平拉应变ε h一一对应对比，获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T（ε T=0.85×10-3）时的时间节点。根据第二强度准则，获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹的裂纹起裂荷载、起裂能以及裂纹扩展速度等全过程信息，其中获得该试样的极限拉应变为0.85×10-3，起裂荷载为0.341kN，中间截面的起裂挠度为0.075mm。
Claims (3)
1.一种基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，其步骤如下：
a.对被测试的工程岩体取样，制作三点弯曲试件（1），并在三点弯曲试件中部预制一条Ⅰ型裂纹（2）；所述Ⅰ型裂纹的裂纹面与试件长边垂直并位于长边中部；在试件的侧面Ⅰ型裂纹上方指定一个分析区域（4），对指定分析区域进行喷射散斑处理；
b.将三点弯曲试件平整地放置于三点弯曲试验机上，使得Ⅰ型裂纹开口向下，对三点弯曲试件进行三点弯曲试验；在三点弯曲试件的正前方设置高速相机（3），高速相机镜头高度与三点弯曲试件平行，高速相机镜头处于Ⅰ型裂纹所在的竖直面内；在三点弯曲试验进行的同时，高速相机（3）对三点弯曲试件（1）的指定分析区域（4）进行全过程连续拍照，采集数字图像；
c.采用基于数字散斑相关方法原理的数字照相应变场量测软件，对采集到的三点弯曲试件试验全过程的数字图像进行一一分析，获得三点弯曲试件的指定分析区域试验全过程的水平拉应变ε h；
d.三点弯曲试验结束后的三点弯曲试件会断裂为的两块，在断裂的三点弯曲试件的指定位置进行取芯，制作成巴西劈裂圆盘试样；
e.在巴西劈裂圆盘试样正中心水平方向粘贴应变片，应变片与静态应变数据采集仪连接，将巴西劈裂圆盘试样竖直放置于压力试验机上，圆盘上下各垫一条刚性垫条，试验机压头作用于刚性垫条，然后开始尖端式巴西劈裂试验，通过处理应变片采集的信息，获得巴西劈裂圆盘试样的极限拉应变ε T；
f.将巴西劈裂试验获得的极限拉应变ε T与三点弯曲试验全过程的指定分析区域（4）的水平拉应变ε h一一对应对比，获得三点弯曲试件Ⅰ型裂纹扩展全过程中各个位置的水平拉应变达到极限拉应变ε T时的时间节点；
g.根据第二强度准则，获得三点弯曲作用下岩石Ⅰ型裂纹的裂纹扩展全过程信息：裂纹起裂荷载、起裂能以及裂纹扩展速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，其特征是：所述三点弯曲试件（1），长度（L）与高度（H）的比值在2.5～4.0之间，厚度（W）为25～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于三点弯曲试验的岩石Ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法，其特征是：所述三点弯曲试件(1)的Ⅰ型裂纹（2）的宽度（f）≦1.5mm，其最小值,以切割技术产生的切割缝隙最小宽度为限；Ⅰ型裂纹（2）的深度（h）为三点弯曲试件高度（H）的0.35-0.50倍。
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