CN108333045B - 一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法 - Google Patents

一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，包括以下步骤：步骤（1）、制备岩板，端面处理，绘制导电栅；步骤（2）、装置夹持岩板，预加载计算的拉力及轴向力；步骤（3）、岩板静置一段时间，施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；步骤（4）、采集数据；步骤（5）、处理分析数据并绘制曲线。本发明具有以下优点：本发明的诱导本征尖锐裂缝的断裂韧性测试方法简单易懂、操作便捷、测试结果准确，能够有效记录测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了方法基础。

Description

一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法
技术领域
本发明属于油气钻探工程技术领域，尤其涉及一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法。
背景技术
岩石材料本身性质对理解岩石碎片化过程是十分重要的，如对岩体的钻孔、爆破、隧道掘进、切割和破碎等岩石力学设计问题上都需要考虑岩石材料特性。断裂力学主要研究岩石材料的特性，因此对实际岩石工程设计作出了重要贡献。近几年来，许多专家学者通过理论分析和实验测试方法讨论岩石断裂韧性的相关问题。断裂力学是一种工程学科，其目的是为了定量描述由一个裂缝引发的完整材料结构破裂过程。断裂力学中将最大允许应力与裂缝的尺寸和位置相关联，甚至可以预测裂缝增长到临界尺寸的速度，环境或变化的负载(疲劳)的影响。并且还可以确定裂缝快速扩展和停止移动裂缝的条件。
岩石的断裂特性可用于预防和预测金属、塑料、陶瓷等人造材料结构潜在的灾难性失效或破坏，其对混凝土、岩石等材料开裂的应用也逐渐受到重视。历史上，断裂力学是材料力学强度的发展，其中结构中的应力与某些材料强度值进行比较，以确定是否发生故障。断裂力学中的基本材料参数称为断裂韧性。
由于断裂力学具体描述了裂纹的影响，并且断裂韧性的测试实验与普通强度测试实验不同，所以有必要对断裂韧性实验提出具体的、明确的实验样品和实验方法。
具体来说，I型裂缝为张拉缝，II型裂缝为剪切缝。I型裂缝为断裂力学中三种裂缝中最基本也是最重要的一种，它代表着材料抗击张拉裂缝扩展的能力，同时表征了材料张拉裂缝扩展时与能量消耗量大小正相关的一个指数。I型断裂韧性的值一旦确定，同时就可以确定I型裂缝扩展单位长度所需要消耗的能量，同时能够确定I型裂缝近缝尖的全场位移、全场应变以及断裂力学中极为重要的J积分的大小(Rice)。I型断裂韧性对岩石的张性断裂有着决定性作用，在浅地层水力压裂、近井筒井壁失稳中有着重要意义。同时，在隧道挖掘过程，I型断裂韧性值都决定着整体结构的稳定与否。
II型断裂韧性的测试方法参考《国际岩石力学学会推荐方法》中的《国际岩石力学学会II型断裂韧性测试推荐方法》(ISRM Suggested Method for the Determination ofMode II Fracture Toughness)。基本方法基于圆柱形岩心，在圆柱形岩心的上下端面铣出环形窄切槽，置于压机上进行剪切破坏测试。剪切通过上下加载位置的不同实现。具体加载方式为上端加载内圆柱，下端加载外圆环，但是其不适用于I型裂缝。
申请号为200510007695的中国发明专利公开了一种计算岩石II型断裂韧性的方法,包括下列步骤:1)测试岩石的II型断裂韧性；2)测试岩石的抗压强度；3)建立岩石II型断裂韧性计算模型；4)利用步骤3)中的计算模型获得岩石II型断裂韧性。该发明中获取了准确的岩石II型断裂韧性后,可很大程度的提高各种水力压裂模型的预测精度。可预测水力压裂裂缝从开始起裂、裂缝扩展过程中在地层空间的弯曲几何形态,从而可计算出裂缝宽度分布和裂缝面摩阻大小,为压裂支撑剂和压裂液性能设计提供科学的基础,可保证压裂支撑剂有效分布在水裂裂缝面上,形成有效的泄油通道,而不是堵在井壁裂缝口处造成压裂作业失效，但是该发明并不能测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，本发明的诱导本征尖锐裂缝的断裂韧性测试方法简单易懂、操作便捷、测试结果准确，能够有效记录测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了方法基础。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，包括以下步骤：
步骤(1)、制备岩板试样，端面处理，绘制导电栅；
步骤(2)、装置夹持岩板试样，预加载计算的拉力及轴向力；
步骤(3)、岩板静置一段时间，施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；
步骤(4)、采集数据；
步骤(5)、处理分析数据并绘制曲线。
优选的是，所述步骤(1)中制作岩板时选取不存在天然裂缝、节理、层理或者后天人工造成的裂缝破坏的岩石制作岩板。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中使用岩石线切割仪器制备岩板。岩板试样为长方形薄板状岩板，使用岩石线切割仪器制备，采用金刚砂镶嵌线锯，往复震动频率控制为10Hz，前进速度控制为10um/s，单次往返震动前进距离控制为1um，线切割全过程使用蒸馏水介质冷却线锯。如遇岩石遇水膨胀情况，可使用无水干燥切割，并使用更低的前进速度和更高的往复震动频率。
上述任一方案优选的是，所述岩石线切割仪器为金刚砂镶嵌线锯，切割时往复震动频率控制为10Hz，前进速度控制为10um/s，单次往返震动前进距离控制为1um。
上述任一方案优选的是，切割全过程使用蒸馏水介质冷却线锯或者进行无水干燥切割。
上述任一方案优选的是，步骤(1)中使用岩石线切割仪器制备岩板，岩板线切割完成后，使用线锯对预制缝尖端进行处理，制作V型切口。
上述任一方案优选的是，步骤(1)中岩板线切割完成后，使用0.26mm线锯对预制缝尖端进行处理，制作V型切口。
上述任一方案优选的是，V型切口的角度为90°
上述任一方案优选的是，步骤(1)中岩板线切割完成后，使用0.26mm线锯对预制缝尖端进行处理，制作90°V型切口(Chevron切口)。
上述任一方案优选的是，制备的岩板数量为三个。进行三次评价试验，以确保测试结果和评价结果的准确性。
上述任一方案优选的是，制备的岩板数量为至少三个。进行三次评价试验，以确保测试结果和评价结果的准确性。
上述任一方案优选的是，所述岩板形状为长方形薄板装。
上述任一方案优选的是，所述岩板长度为宽度的2倍。长度不小于80mm。
上述任一方案优选的是，所述岩板长度不小于80mm。
上述任一方案优选的是，所述岩板最优宽度为40mm。
上述任一方案优选的是，所述岩板的一端开有宽槽和/或窄槽。
上述任一方案优选的是，所述宽槽宽5mm，长度为29mm±1mm。
上述任一方案优选的是，窄槽宽不大于0.5mm。
上述任一方案优选的是，窄槽长度为9±1mm。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中的端面处理时，岩板厚度方向上端面和下端面平整度(波浪面的波峰与波谷之间的垂直距离)不大于0.05mm；岩板开槽位置偏移纵轴向中心不超过0.5mm；岩板长度方向端面所成角度小于0.001rad。岩板厚度方向的上、下两端面应保持平整，岩芯样品的长度方向的两端面应保持光滑笔直，两端面所成角度小于0.001rad
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中制成岩板后在岩板底部、中部、上部分别测量一次宽度，各测量值相差不超过0.1mm，将测量结果取平均值为岩板最终宽度。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中端面处理方法为：在岩板厚度方向选取一个端面，用砂纸打磨，除去该端面线切割加工痕迹；再除去线切割加工痕迹端面，依次用不同目数的砂纸精细打磨光滑，每种目数砂纸打磨时间不低于1分钟，被打磨的岩板表面出现镜面光泽。
上述任一方案优选的是，所述不同目数的砂纸至少包括1000目、2000目、3000目、5000目和7000目的砂纸。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中绘制导电栅时使用导电铅笔线对岩板表面划线绘制。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中导电栅上部为梯形，下部为长方形。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中导电栅整体区域能够覆盖裂缝扩展区域，相邻导电栅条纹间距为1-2.5mm，导电栅条数为10-20条，每条导电栅电阻均匀、宽度相近，导电栅整体电阻在5-100KΩ范围内。
上述任一方案优选的是，相邻导电栅条纹间距为2mm，导电栅条数为15条。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中导电栅绘制完成后使用低电阻的导电液绘制导电栅边缘线。
上述任一方案优选的是，步骤(1)中还包括分压电阻，分压电阻为滑动变阻器，阻值范围0-300KΩ。
上述任一方案优选的是，步骤(1)中分压电阻电阻值应根据岩板电阻动态调整，分压电阻与岩板电阻比值控制在1:3～1:4范围内
上述任一方案优选的是，步骤(1)中导电栅的两端部电极点使用导电胶与金属导线相连。
上述任一方案优选的是，步骤(1)中岩板的电极外接金属导线与计算机采集装置外接线相接。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中使用双悬臂梁断裂韧性测试装置夹持岩板。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中夹持岩板时，岩板长度方向端面承载压力载荷，宽度方向上的宽刻槽左右两端面承载拉力载荷。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中夹持岩板时，预加载拉力Ft使拉力钩两侧夹持宽槽，预加载压力Fc使耐温橡胶夹持样品，预加载拉力Ft和预加载压力Fc大小分别为
式中，Ft为预加载拉力，N；Fc为预加载轴向力，N；h为岩板厚度，mm.
上述任一方案优选的是，步骤(3)中待纵向压力加载完成后，岩板静置10-15分钟，待耐温橡胶蠕变完成且纵向压力读数稳定。
上述任一方案优选的是，所述纵向压力读数稳定后，加载横向拉力，加载速度控制在0.02mm/min以内，直至岩板导电栅区出现I型裂缝。
上述任一方案优选的是，所述步骤(4)中采集的数据至少包括存储裂缝扩展纵向电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据。
上述任一方案优选的是，所述步骤(4)中的数据由双悬臂梁断裂韧性测试装置的电子采集系统采集并由双悬臂梁断裂韧性测试装置的数据终端处理系统进行存储。
上述任一方案优选的是，所述步骤(4)中的双悬臂梁断裂韧性测试装置是本测试方法所使用的测量仪器，是根据本领域的公知原理设计的公知设备，已自主设计完成成品。
上述任一方案优选的是，所述步骤(5)中利用数据终端处理软件处理分析数据并绘制曲线。
上述任一方案优选的是，所述步骤(5)中处理分析的数据至少包括计算裂缝I型断裂韧性、岩板弹性模量和裂缝扩展速度。
上述任一方案优选的是，裂缝I型断裂韧性采用如下公式计算：
Figure BDA0001545195030000061
式中，K为I型裂缝断裂韧性，Nm-3/2；P为岩板断裂拉力，N；w为岩板宽度，m；h为岩板厚度，m；ln为岩板刻槽总长度。
上述任一方案优选的是，岩板弹性模量采用如下公式计算：
Figure BDA0001545195030000062
式中，K为I型裂缝断裂韧性，Nm-3/2；w为岩板宽度，m；ln为岩板刻槽总长度，m；δ为刻槽位移，m；E为岩板弹性模量，GPa。
上述任一方案优选的是，所述绘制曲线至少包括拉力-位移数据曲线、裂缝扩展分压阶跃曲线。
有益效果：
本发明的有益效果是：本发明提供一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，包括以下步骤：
步骤(1)、制备岩板，端面处理，绘制导电栅；
步骤(2)、装置夹持岩板，预加载计算的拉力及轴向力；
步骤(3)、岩板静置一段时间，施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；
步骤(4)、采集数据；
步骤(5)、处理分析数据并绘制曲线。
本发明具有以下优点：
本发明的诱导本征尖锐裂缝的断裂韧性测试方法简单易懂、操作便捷、测试结果准确，能够有效记录测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了方法基础。
附图说明
图1为一种双悬臂梁断裂韧性测试装置的结构示意图；
图2为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法的一优选实施例流程图；
图3为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法制备的岩石岩板结构图；
图4为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的曲线图；
图5为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的拉力-位移曲线图；
图6为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的裂缝扩展分压阶跃曲线图。
图7为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的曲线图；
图8为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的拉力-位移曲线图；
图9为按照本发明诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法所采集数据绘制的裂缝扩展分压阶跃曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
如图1所示，一种双悬臂梁断裂韧性测试装置，用于诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法中。包括机械传动系统、电子采集系统和数据终端处理系统。所述机械传动系统固定于承载横梁之上，所述的电子采集系统直接连接机械传动系统，所述的数据终端处理系统直接连接电子采集系统。
机械传动系统主要包括试样夹持构件、拉力传动机构和压力传动机构。
试样夹持构件横向设置在拉力传动构件上部，轴向设置在压力传动构件下部。试样夹持构件用于固定岩板试样2，拉力传动机构对岩板试样2施加外部拉力载荷，压力传动机构对试样施加外部压力载荷。
试样夹持构件端部设置有橡胶，岩板试样2置于夹持橡胶内，施加外载压力，达到不产生滑动的情况下令岩板试样2的下端面能够承受均匀的压力。
拉力传动机构对岩板试样2施加外部拉力载荷，拉力传动机构包括滑动挂钩3，滑动挂钩3呈凹字形，滑动挂钩3的一端内嵌入滑块4内，滑块4能够在直线导轨5上来回运动，拉力钩的一端置于岩板试样2的宽槽内，施加外载拉力，拉力钩，即滑动挂钩，长度不大于5mm，端面粗糙处理，防止岩板试样2滑脱。滑块4的一侧设有拉力传递杆6、拉力传递螺杆7和施加拉力外载手轮9。拉力传递螺杆7的一端设有减速箱8，减速箱8通过手轮9进行控制。滑动挂钩3下部设有滑轮10，滑轮10设置在承载横梁11上，承载横梁11上还设有岩板支架12。岩板支架12上设有固定挂钩13，滑动挂钩3的一侧通过固定挂钩13固定在岩板支架12内壁上。试样2由拉力传动机构的固定挂钩13、滑动挂钩3和压力传动机构的下部压头共同夹持。
压力传动机构对试样施加外部压力载荷，压力传动机构包括丝杆28，丝杆28设置在两侧立板14之间，丝杆28的一端设有导向架15。丝杆28下部通过设有连接环29，连接环29通过丝杠和压力传感器23连接。
丝杆28下部设有加载杆16，加载杆16的一端设置在外套31内。
加载杆16下部设有加载垫片17，加载垫片17直接接触岩板式样2，加载垫片17防止不平衡压力。丝杆28上部设有丝杆螺母18，手柄19进一步和丝杆螺母18连接。丝杆螺母18两侧设有深沟球轴承20和推力球轴承21。通过旋转手柄19，通过丝杆28和加载杆16向岩板试样2施加轴向力。
所述的电子采集系统主要包括电位数据采集卡、位移LVDT传感器22、压力传感器23和拉力传感器24，电位数据采集卡置于数据终端处理系统的主机主板内。压力传感器23设置在外套31内的加载杆16上部，压力传感器23上部设有垫片32。
位移LVDT传感器22位于拉力传动机构的直线导轨5上，位移LVDT传感器22的一端接触滑块4。位移LVDT传感器22能够检测岩板试样2的横向开裂位移。压力传感器23置于压力传动机构的加载杆16与丝杆28之间，并通过导向架15进行固定，压力传感器23记录控制岩板试样2加载的轴向力。拉力传感器24置于拉力传动构件的拉力传递杆6与拉力传递螺杆7之间，拉力传感器24用于记录控制岩板试样2加载的横向拉力。通过旋转手柄19，通过丝杆28和加载杆16向岩板试样2施加轴向力，压力传感器23记录控制岩板试样2加载的轴向力。
电位数据采集卡置于数据终端处理系统的主机主板内，电位数据采集卡通过外接线路连接位移LVDT传感器22、压力传感器23和拉力传感器24。电位数据采集卡收集岩样I型断裂过程中导电划线电位变化，收集位移LVDT传感器22、压力传感器23、拉力传感器24的电信号。
电位数据采集卡可采集低速数据和高速数据，低速采样率不小于200KS/S，高速采样率不小于10MS/S，采集分辨率不小于12bit。
位移LVDT传感器22分辨率不小于0.1um、压力传感器23和拉力传感器24精度不小于10N。
通过转动手轮9，手轮9通过拉力传递杆6和拉力传递螺杆7带动滑块4往右移动，滑块4通过滑动挂钩3向岩板试样2加载横向拉力，拉力传感器24记录控制岩板试样2加载的横向拉力。
所述的数据终端处理系统主要集成于计算机软件中，可完成各传感器(包括位移LVDT传感器22、压力传感器23、拉力传感器24)电信号的处理、过滤和重采样操作。数据终端处理系统可完成电位数据采集卡的数据录入，预缓存数据库，实施数据处理等操作。
本实施例中，双悬臂梁断裂韧性测试装置用于记录测量岩板试样2I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了装置基础。
双悬臂梁断裂韧性测试装置能够用于诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法中。
实施例2
如图2所示，诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：采用岩石制备长方形薄板岩板试样，端面处理，绘制导电栅；
步骤二：装置夹持岩板试样，预加载计算的拉力及轴向力；
步骤三：岩板静置10-15分钟，持续稳定均匀施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；
步骤四：采集存储裂缝扩展纵向电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据；
步骤五：绘制拉力-位移数据曲线、裂缝扩展分压阶跃曲线，分析计算裂缝I型断裂韧性、岩板弹性模量和裂缝扩展速度。
步骤一中选取岩石无裂缝、无层理和无节理部位，制备长方形薄板状岩石样品即为岩板，处理岩板端面平行度、粗糙度等，精细打磨岩板一端表面，在岩板打磨表面上通过导电材料划线，绘制导电删，连通电极，如图2所示，具体加工顺序包括以下步骤：
选取制作岩板的岩石部位时应避开先天的天然裂缝、节理和层理，或后天人工造成的裂缝破坏等结构弱面，制成的岩板要求长度、宽度和厚度三个方向上无裂缝、无节理和无层理。
长方形薄板状岩板使用岩石线切割仪器制备，采用金刚砂镶嵌线锯，往复震动频率控制为10Hz，前进速度控制为10um/s，单次往返震动前进距离控制为1um，线切割全过程使用蒸馏水介质冷却线锯。
长方形薄板状岩板尺寸要求为：长度方向为纵向，宽度方向为横向，长度为宽度的2倍，长度不小于80mm，长方形薄板状岩板的最优宽度为40mm。厚度为4-10mm，岩板上刻槽，上端宽槽33宽5mm，长度29mm±1mm，窄槽34宽不大于0.5mm，长度9±1mm，结构如图3所示，具体岩板相关参数表如表1所述：
表1实岩板相关参数表
Figure BDA0001545195030000111
长方形薄板状岩板线切割完毕后，使用0.26mm线锯对预制缝尖端继续处理，制作90°V型切口(Chevron切口)；
岩板加工完毕后，岩板厚度方向上、下两端面平整度不大于0.05mm；预制刻槽位置偏移纵轴向中心不超过0.5mm；长度方向两端面保持光滑笔直，两端面所成角度小于0.001rad。
测量各岩板外部整体尺寸，在岩板底部、中部、上部分别测量一次宽度，将三次测量结果取平均值，即为岩板样品的最终宽度。所述各宽度测量结果间的测量值相差不应超过0.1mm；
测量岩板内部刻槽尺寸，在岩板中间刻槽的底部、中部、上部分别测量一次宽度，将测量结果取平均值，即为最终槽宽。所述各宽度测量结果间的测量值相差不应超过0.01mm。
端面精细打磨，在岩板厚度方向的上下两端面，选取一个端面依次分别使用800目、1000目、2000目、3000目、5000目和7000目砂纸精细打磨光滑，每种目数砂纸打磨时间不低于1分钟，被打磨端面出现镜面光泽，便于后期电镜观察和绘制导电栅35。
绘制导电栅35，精细打磨平面，使用导电铅笔线对岩板表面划线，上部为梯形，下部为长方形，如图3中所示的导电栅35形状区域，要求导电栅35整体区域能够覆盖裂缝扩展区域，导电栅35条纹间距1-2.5mm，条数10-20条，每条导电栅35电阻均匀、宽度相近。导电栅35边缘线，如图3所示的边缘线a-b和c-d，使用低电阻的导电液(建议导电银浆)，最终使导电栅整体电阻控制在5-100KΩ范围内(通过分压实现，分压电阻为滑动变阻器，阻值范围0-100KΩ，分压电阻实际使用时调整为电栅电阻的1-2倍左右)。每条导电栅35要求电阻相近，电阻值差异控制在20％以内，电栅两端部电极点a和d，使用导电胶与金属导线相连；
岩板的相关尺寸、导电参数如表1所示。
表1岩板相关尺寸、导电参数
Figure BDA0001545195030000121
步骤二：将岩板式样2放置于本申请的双悬臂梁断裂韧性测试装置内，试样夹持构件固定岩板试样2，岩板式样2长度(纵向)方向上下端面承载压力载荷，宽度(横向)方向的中间刻槽左右两端面承载拉力载荷，预加载拉力使拉力钩两侧夹持宽槽，加载压力使耐温橡胶夹持样品，预加载载荷大小根据公式(1)计算：
上述式中，Ft为预加载拉力，N；Fc为预加载轴向力，N；h为岩板厚度，mm，实施例岩板预加载载荷参数见表2所示，按照先后顺序包括以下步骤：
将岩板外伸出的金属导线与计算机采集卡导线相连；
打开数据终端处理系统，开启采集，选择采样率，开启电压检测；
利用公式(1)计算预加载拉力，观察数据终端处理系统所示的拉力值，转动手轮9达到预设值，使滑动挂钩3两侧夹持宽槽33；利用公式(1)计算预加载轴向力，观察数据终端处理系统所示的轴向力值，转动手柄19达到预设值，使轴向力夹持岩板，结果见表2。
表2预加载载荷表
步骤三：压力加载完成后，静置10-15分钟，待压力读数稳定时，持续稳定均匀施加外载拉力，加载速度控制在0.02mm/min，在2分钟内完成实验即可直至岩板试样2沿中间刻槽处产生I型断裂裂缝，实验过程加载速度及破坏拉力情况见表3所示；
表3实验过程参数表
加载速度(mm/min) 破坏拉力(N)
0.02 88
步骤四：数据终端处理系统存储电位数据采集卡收集到的数据，包括裂缝扩展电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据，实施例收集到的数据以曲线形式给出，如图4所示，步骤三和步骤四中，利用裂缝延伸，拉断导电划线，电极两端电位改变，将输出信号和位移信号同时输入数据采集卡中，采集信号传输至数据终端处理系统储，详细按照先后顺序包括以下步骤：
关闭数据终端处理系统，结束检测，结束采集；
选择数据终端处理软件记录的信号范围、过滤筛选信号、保存导出有用数据；
导出数据利用做图软件得到实施例采集数据曲线，如图5所示。
步骤五：利用数据终端处理系统处理分析数据，根据得到的数据绘制拉力-位移曲线，裂缝扩展速度分压阶跃曲线，处理分析数据以图5、图6的曲线形式给出，图5为绘制的拉力-位移曲线图，图6为裂缝扩展分压阶跃曲线图。
分析计算刻槽位移、I型裂缝断裂韧性按照公式(2)、岩板弹性模量按照公式(3)和裂缝扩展速度，
Figure BDA0001545195030000141
Figure BDA0001545195030000142
式中，K为I型裂缝断裂韧性，Nm-3/2；P为岩板断裂拉力，N；w为岩板宽度，m；h为岩板厚度，m；ln为岩板刻槽总长度，m；δ为刻槽位移，m；E为岩板弹性模量，GPa。
计算刻槽位移,计算结果见表4所示，
表4分析计算结果
Figure BDA0001545195030000143
计算方法如下所示，根据图5实施例拉力-位移曲线图，选取曲线最高点位移为最终位移；选取中间直线段，线性拟合，拟合结果为：
force＝-5.62618+0.51534displacement
拟合曲线延伸至横轴交点作为起始位移，起始位移为0.011mm。刻槽位移＝最终位移-起始位移，结果为0.169mm。
计算I型裂缝断裂韧性:利用公式I型裂缝断裂韧性计算公式(2)，尺寸参数如表1所示，实验过程参数如表3所示，各参数代入公式(2)：
Figure BDA0001545195030000144
得出的断裂韧性参数如表4所示。
计算岩板弹性模量：岩板尺寸参数如表1所示，刻槽位移参数如表4所示，将2)中计算的断裂韧性代入公式(3)，反算出岩板弹性模量。
Figure BDA0001545195030000151
计算弹性模量结果为：19.15GPa。
本发明的诱导本征尖锐裂缝的断裂韧性测试方法简单易懂、操作便捷、测试结果准确，能够有效记录测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了方法基础。
实施例3
和实施例不同的是，制备三块研板样品，进行三次评价试验，以确保测试结果和评价结果的准确性，试验方法、步骤和实施例1相同。
实施例4
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
如图2所示，双悬臂梁断裂韧性测试装置诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：将岩石制备长方形薄板岩板，端面处理，绘制导电栅；
步骤二：装置夹持岩板，预加载计算的拉力及轴向力；
步骤三：岩板静置10-15分钟，持续稳定均匀施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；
步骤四：采集存储裂缝扩展纵向电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据；
步骤五：绘制拉力-位移数据曲线、裂缝扩展分压阶跃曲线，分析计算裂缝I型断裂韧性、岩板弹性模量和裂缝扩展速度。
下面进行详细说明。
步骤一中选取岩石无裂缝、无层理和无节理部位，制备长方形薄板状岩石样品即为岩板，处理岩板端面平行度、粗糙度等，精细打磨岩板一端表面，在岩板打磨表面上通过导电材料划线，绘制导电删，连通电极，如图2所示，具体加工顺序包括以下步骤：
选取制作岩板的岩石部位时应避开先天的天然裂缝、节理和层理，或后天人工造成的裂缝破坏等结构弱面，制成的岩板要求长度、宽度和厚度三个方向上无裂缝、无节理和无层理。
长方形薄板状岩板使用岩石线切割仪器制备，采用金刚砂镶嵌线锯，往复震动频率控制为10Hz，前进速度控制为10um/s，单次往返震动前进距离控制为1um，线切割全过程使用蒸馏水介质冷却线锯。
长方形薄板状岩板尺寸要求为：长度方向为纵向，宽度方向为横向，长度为宽度的2倍，长度不小于80mm，长方形薄板状岩板的最优宽度为40mm。厚度为4-10mm，岩板上刻槽，上端宽槽33宽5mm，长度29mm±1mm，窄槽34宽不大于0.5mm，长度9±1mm，结构如图3所示，具体岩板相关参数表如表5所述：
表5岩板相关参数表
长方形薄板状岩板线切割完毕后，使用0.26mm线锯对预制缝尖端继续处理，制作90°V型切口(Chevron切口)；
岩板加工完毕后，岩板厚度方向上、下两端面平整度不大于0.05mm；预制刻槽位置偏移纵轴向中心不超过0.5mm；长度方向两端面保持光滑笔直，两端面所成角度小于0.001rad。
测量各岩板外部整体尺寸，在岩板底部、中部、上部分别测量一次宽度，将三次测量结果取平均值，即为岩板样品的最终宽度。所述各宽度测量结果间的测量值相差不应超过0.1mm；
测量岩板内部刻槽尺寸，在岩板中间刻槽的底部、中部、上部分别测量一次宽度，将测量结果取平均值，即为最终槽宽。所述各宽度测量结果间的测量值相差不应超过0.01mm。
端面精细打磨，在岩板厚度方向的上下两端面，选取一个端面依次分别使用800目、1000目、2000目、3000目、5000目和7000目砂纸精细打磨光滑，每种目数砂纸打磨时间不低于1分钟，被打磨端面出现镜面光泽，便于后期电镜观察和绘制导电栅35。
绘制导电栅35，精细打磨平面，使用导电铅笔线对岩板表面划线，上部为梯形，下部为长方形，如图3中所示的导电栅35形状区域，要求导电栅35整体区域能够覆盖裂缝扩展区域，导电栅35条纹间距1-2.5mm，条数10-20条，每条导电栅35电阻均匀、宽度相近。导电栅35边缘线，如图3所示的边缘线a-b和c-d。每条导电栅要求电阻相近，电阻值差异控制在20％以内，电极点a和d，使用导电胶与金属导线相连；
步骤二：将岩板式样2放置于本申请的双悬臂梁断裂韧性测试装置内，试样夹持构件固定岩板试样2，岩板式样2长度(纵向)方向上下端面承载压力载荷，宽度(横向)方向的中间刻槽左右两端面承载拉力载荷。实验前，应先施加预加载拉力Ft使拉力钩两侧夹持宽槽，施加预加载轴向力Fc固定样品，预加载拉力Ft和预加载轴向力Fc的载荷大小根据实施例2中的公式(1)计算。
Figure BDA0001545195030000171
上述式中，Ft为预加载拉力，N；Fc为预加载轴向力，N；h为岩板厚度，mm，
实施例岩板预加载载荷参数见表6所示，按照先后顺序包括以下步骤：
将岩板外伸出的金属导线与计算机采集卡导线相连；
打开数据终端处理系统，开启采集，选择采样率，开启电压检测；
利用实施例2中公式(1)计算预加载拉力，观察数据终端处理软件所示的拉力值，转动手轮9达到预设值，使滑动挂钩3两侧夹持宽槽33；利用实施例2中公式(1)计算预加载轴向力，观察数据终端处理软件所示的轴向力值，转动手轮19达到预设值，使轴向力夹持岩板，结果见表6。
表6预加载载荷表
Figure BDA0001545195030000181
步骤三：压力加载完成后，静置10-15分钟，待耐压力读数稳定时，持续稳定均匀施加外载拉力，直至岩板试样2沿中间刻槽处产生I型断裂裂缝，实验过程加载速度及破坏拉力情况见表7所示；
表7实验过程参数表
加载速度(mm/min) 破坏拉力(N)
0.02 104
步骤四：数据终端处理系统存储电位数据采集卡收集到的数据，包括裂缝扩展电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据，实施例收集到的数据以曲线形式给出，如图7所示，详细按照先后顺序包括以下步骤：
关闭数据终端处理软件，结束检测，结束采集；
选择数据终端处理软件记录的信号范围、过滤筛选信号、保存导出有用数据；
导出数据利用做图软件得到实施例采集数据曲线，如图8所示。
步骤五：处理分析数据，根据得到的数据绘制拉力-位移曲线，裂缝扩展速度分压阶跃曲线，处理分析数据以图8、图9的曲线形式给出，分析计算刻槽位移、I型裂缝断裂韧性按照实施例1中公式(2)、岩板弹性模量按照实施例1中公式(3)和裂缝扩展速度，
计算刻槽位移,计算结果见表8所示，
表8分析计算结果
计算方法如下所示，根据图4实施例拉力-位移曲线图，选取曲线最高点位移为最终位移；选取中间直线段，线性拟合，拟合结果为：
force＝-25.18619+0.96831displacement
拟合曲线延伸至横轴交点作为起始位移，起始位移为0.026mm。刻槽位移＝最终位移-起始位移，结果为0.114mm。
计算I型裂缝断裂韧性:利用实施例2中公式I型裂缝断裂韧性计算公式(2)，尺寸参数如表5所示，实验过程参数如表7所示，各参数代入公式(2)：
得出的断裂韧性参数如表8所示。
计算岩板弹性模量：岩板尺寸参数如表5所示，刻槽位移参数如表8所示，将2)中计算的断裂韧性代入公式(3)，反算出岩板弹性模量。
Figure BDA0001545195030000192
计算弹性模量结果为：26.36GPa。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、制备岩板，端面处理，绘制导电栅；
步骤(2)、装置夹持岩板，预加载计算的拉力及轴向力；
步骤(3)、岩板静置一段时间，施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；
步骤(4)、采集数据；
步骤(5)、处理分析数据并绘制曲线；
步骤(1)中使用岩石线切割仪器制备岩板，岩板线切割完成后，使用线锯对预制缝尖端进行处理，制作V型切口；
所述步骤(2)中夹持岩板时，预加载拉力Ft使拉力钩两侧夹持宽槽，预加载压力Fc使耐温橡胶夹持样品，预加载拉力Ft和预加载压力Fc大小分别为
Figure FDA0002264450410000011
式中，Ft为预加载拉力，N；Fc为预加载轴向力，N；h为岩板厚度，mm；
步骤(3)中待纵向压力加载完成后，岩板静置10-15分钟，待耐温橡胶蠕变完成且纵向压力读数稳定；
所述步骤(4)中采集的数据至少包括存储裂缝扩展纵向电位变化、裂缝扩展横向位移电位变化、拉力电位变化、压力电位变化和实验时间数据。
2.根据权利要求1所述的一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中端面处理时，岩板厚度方向上端面和下端面平整度不大于0.05mm；岩板开槽位置偏移纵轴向中心不超过0.5mm；岩板长度方向端面所成角度小于0.001rad。
3.根据权利要求1所述的一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)的导电栅整体区域能够覆盖裂缝扩展区域，相邻导电栅条纹间距为1-2.5mm，导电栅条数为10-20条，每条导电栅电阻均匀、宽度相近，导电栅整体电阻在5-100KΩ范围内。
4.根据权利要求1所述的一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中导电栅的两端部电极点使用导电胶与金属导线相连。
5.根据权利要求1所述的一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，步骤(1)中岩板的电极外接金属导线与计算机采集装置外接线相接。
6.根据权利要求1所述的一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，其特征在于，纵向压力读数稳定后，加载横向拉力，加载速度控制在0.02mm/min以内，直至岩板导电栅区出现I型断裂缝。
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