CN108760501A - 由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其主要包括下列步骤：制作一组尺寸完全相同的紧凑拉伸试件、静力加载得到峰值荷载、由两点确定直线、求直线斜率，该直线斜率即为无尺寸效应的岩石的断裂韧度与抗拉强度。本发明避免了大量试验数据的拟合分析工作，制作试件简单，计算量小，实施过程易操作，预测结果具有足够精度。

Description

由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法
技术领域
本发明涉及岩石工程材料性能检测技术领域，具体涉及一种由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法。
背景技术
目前，获取岩石类材料断裂韧度的试验测试中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都有严格限制，使得试件制作与试验过程都相对复杂。比如，美国材料与测试协会规范ASTM E395推荐的单边直裂纹三点弯曲梁试件型式及相应试验方法；国际岩石力学协会(ISRM)推荐的三点弯曲圆棒试件、人字形切槽短圆棒试件、人字形切槽巴西圆盘试件等试件型式及相应试验方法；以及其他研究者提出的不同切槽形式的半圆盘三点弯曲试件、紧凑拉伸试件、四点弯曲梁试件、不同切槽形式的巴西圆盘试件型式及相应试验方法等。而目前确定岩石的拉伸强度常采用轴拉、劈拉等试验方法，上述方法对于岩石的断裂韧度与拉伸强度的测定,须采用不同的试验加载方法。但是,实验室内采用上述方法得出的拉伸强度与断裂韧度存在较为明显的尺寸效应。
为确定无尺寸效应的岩石的断裂韧度与拉伸强度可采用边界效应理论，但是，其需要基于大量的试验数据，通过拟合回归分析才能实现，并且，采用的试件须满足：相同尺寸不同缝高比变化；或相同缝高比不同尺寸变化；或者两种试件的组合型式，制作试件繁琐而且计算量较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法；旨在解决现有测定岩石断裂韧度与拉伸强度的检测存在尺寸效应，且其检测试验制作试件繁琐、计算量大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，包括以下步骤：
(1)制作一组尺寸均为H×B×W且缝高比均为α的岩石紧凑拉伸试件，其中，H为试件高度，B为试件厚度，W为试件宽度，试件的初始裂缝长度为a0，缝高比α＝a0/H；
(2)按静力加载试验将步骤(1)中的试件加载至被破坏，记录试验过程中每个试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值Pmax；
(3)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Y等于该组岩石试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标X由下式求得：
式(1)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；上述两点(0,0)、(X，Y)所成直线的斜率即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC；
(4)基于两点确定一条直线，第一个点为原点0点(0,0)，第二个点的纵坐标Yi等于该组试件中的单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xi由式(1)求得，上述两点(0,0)、(Xi，Yi)所成直线的斜率即为每个试件的断裂韧度的KIC，i；
(5)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt等于一组岩石试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标Xt由下式求得：
式(2)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；上述两点(0,0)、(Xt，Yt)所成直线的斜率即为该组试件的拉伸强度平均值ft；
(6)基于两点确定一条直线，第一个点为原点0点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt,i等于该组试件单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xt,i由式(2)求得，上述两点(0,0)、(Xt,i，Yt,i)所成直线的斜率即为该组单个试件的拉伸强度ft,i。
进一步的，步骤(3)～(6)中，几何参数ae由下式计算：
式(3)中，α为各试件的缝高比，a0为初始裂缝长度，
进一步的，试件高度H为50mm～400mm，取值范围广。
进一步的，缝高比α为0.4～0.5。
进一步的，平均颗粒尺寸gav＝1mm～2mm。
进一步的，试件为3～6个，试件个数少。
与现有技术相比，本发明的积极有益技术效果在于：
1.本发明克服了现有检测方法中所存在的尺寸效应，仅采用一组相同尺寸相同缝高比的紧凑拉伸试样，摆脱了采用大量试验数据的拟合工作的束缚。
2.本发明所提的判断方法，仅需两个坐标点，且其中一个点固定为原点(0,0)，计算量小；另一个点既可取一组试件峰值荷载的平均值，即得到材料参数的平均值，也可取该组内单个试件的峰值荷载单个值，即得到材料参数的每个个体值，从而可展示岩石的断裂与强度参数确定结果的离散性。
3.本发明的方法中采用紧凑拉伸试件，使得试验加载过程较为稳定，所选用试件高度H可从小尺寸H＝50mm到大尺寸H＝400mm任意取值，范围较为广泛。
4.试验过程中仅需测定3～6个试件的峰值荷载，不需要测定其它试验量，试验工作量小，试验过程较为简单。
附图说明
图1为本发明由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度平均值的示意图；
图2为本发明由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度离散值的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
以下实施例中所涉及的一些步骤或方法，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：由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，主要步骤如下：
制作一组尺寸均为H×B×W且缝高比均为α的岩石紧凑拉伸试件，其中，H为试件高度，B为试件厚度，W为试件宽度，试件的初始裂缝长度为a0，缝高比α＝a0/H；按静力加载试验将步骤(1)中的试件加载至被破坏，记录试验过程中每个试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值Pmax；基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Y等于该组岩石试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标X由下式求得：
式(1)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；上述两点(0,0)、(X，Y)所成直线的斜率即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC，参见图1；
若第一个点为原点0点(0,0)，第二个点的纵坐标Yi等于该组试件中的单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xi由式(1)求得，则上述两点(0,0)、(Xi，Yi)所成直线的斜率即为每个试件的断裂韧度的KIC，i，参见图2；
若第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt等于一组岩石试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标Xt由下式求得：
式(2)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；则上述两点(0,0)、(Xt，Yt)所成直线的斜率即为该组试件的拉伸强度平均值ft，参见图1；
若第一个点为原点0点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt,i等于该组试件单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xt,i由式(2)求得，则上述两点(0,0)、(Xt,i，Yt,i)所成直线的斜率即为该组单个试件的拉伸强度ft,i，参见图2.
式(1)和式(2)中进一步的，几何参数ae为：
式(3)中，α为各试件的缝高比，a0为初始裂缝长度，
实施例2：由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法本实施例试验所用岩石的平均颗粒尺寸gav＝2mm。按试件尺寸分为两组：
第一组H×B×W＝240×150×250mm，缝高比α＝a0/W＝0.4，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出3个试件确定的断裂韧度与拉伸强度，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的岩石断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表1。
第二组H×B×W＝150×150×150mm，缝高比α＝a0/W＝0.4，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出3个试件确定的断裂韧度与拉伸强度，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的岩石断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表1。
由表1可见，采用本发明，由两组不同试验试件确定的断裂韧度与拉伸强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。
表1实施例1确定的岩石断裂韧度与拉伸强度
边界效应理论确定的该岩石的断裂韧度KIC＝1.19MPa·m1/2，拉伸强度ft＝7.29MPa。可见，与本文方法确定的断裂韧度与拉伸强度与边界效应理论吻合较好。
实施例3：由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法
本实施例试验所用岩石的平均颗粒尺寸gav＝1.0mm。按试件尺寸分为五组：
第一组H×B×W＝50×20×70mm，缝高比α＝a0/W＝0.5。采用本发明方法，由峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表2。
第二组H×B×W＝100×30×120mm，缝高比α＝a0/W＝0.5。采用本发明方法由峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表2。
第三组H×B×W＝200×50×240mm，缝高比α＝a0/W＝0.5。采用本发明方法由峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表2。
第四组H×B×W＝300×60×360mm，缝高比α＝a0/W＝0.5。采用本发明方法由峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表2。
第五组H×B×W＝400×80×480mm，缝高比α＝a0/W＝0.5。采用本发明方法由峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与拉伸强度的平均值，结果见表2。
表2实施例2确定的岩石断裂韧度与拉伸强度
由表2可见，采用本发明，由五组不同试验试件确定的断裂韧度与拉伸强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。
另外，边界效应理论确定的该岩石的断裂韧度KIC＝1.6MPa·m1/2，拉伸强度ft＝11.2MPa。可见，与本发明方法确定的断裂韧度与拉伸强度与边界效应理论吻合较好。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (6)

1.一种由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作一组尺寸均为H×B×W且缝高比均为α的岩石紧凑拉伸试件，其中，H为试件高度，B为试件厚度，W为试件宽度，试件的初始裂缝长度为a0，缝高比α＝a0/H；
(2)按静力加载试验将步骤(1)所述岩石紧凑试件加载至被破坏，记录试验过程中该组每个岩石紧凑试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值Pmax；
(3)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Y等于该组岩石紧凑试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标X由下式求得：
式(1)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；上述两点(0,0)、(X，Y)所成直线的斜率即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC；
(4)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Yi等于该组试件中的单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xi由式(1)求得，上述两点(0,0)、(Xi，Yi)所成直线的斜率即为每个试件的断裂韧度KIC，i；
(5)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt等于一组岩石试件的峰值荷载的平均值Pmax，第二个点的横坐标Xt由下式求得：
式(2)中，B为试件厚度；α为缝高比；H为试件高度；gav为岩石的平均颗粒粒径，ae为几何参数；上述两点(0,0)、(Xt，Yt)所成直线的斜率即为该组试件的拉伸强度平均值ft；
(6)基于两点确定一条直线，第一个点为原点(0,0)，第二个点的纵坐标Yt,i等于该组试件单个岩石试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标Xt,i由(2)求得，上述两点(0,0)、(Xt,i，Yt,i)所成直线的斜率即为该组单个试件的拉伸强度ft,i。
2.根据权利要求1所述的由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，所述步骤(3)～(6)中，几何参数ae由下式计算：
式(3)中，α为各试件的缝高比，a0为初始裂缝长度，
3.根据权利要求1所述的由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，试件高度H为50mm～400mm。
4.根据权利要求1所述的由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，所述缝高比α为0.4～0.5。
5.根据权利要求1所述的由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，所述平均颗粒粒径gav为1mm～2mm。
6.根据权利要求1所述的由紧凑拉伸试件确定岩石断裂韧度与拉伸强度的方法，其特征在于，所述试件为3～6个。
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