CN113239585A - 测量岩石ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法 - Google Patents

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CN113239585A CN202110498290.7A CN202110498290A CN113239585A CN 113239585 A CN113239585 A CN 113239585A CN 202110498290 A CN202110498290 A CN 202110498290A CN 113239585 A CN113239585 A CN 113239585A
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刘丰
张寿松
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Abstract

本发明公开了一种测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法，通过制作在岩石两侧引入平行于试样端面的半通切槽的压缩短芯试样。利用有限元分析软件研究静压力加载条件下试样的最佳几何形状。进而通过数值模拟确定试样的应力强度因子并由此推导出断裂韧度的公式。本发明优点是：简化了试样的制备并使用岩芯作为基础的试样，便于静态和动态试验的进行；并在数值模拟时考虑了次生裂纹的存在。

Description

测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法
技术领域
本发明涉及岩土工程岩石断裂技术领域，特别涉及一种用于测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒的方法。
背景技术
土木工程和采矿结构的破坏对工程活动有重大影响。因此，分析岩石和类岩石材料的破坏机理至关重要，因为这有助于工程师提高安全性和防止采矿中的破坏。理解岩石破坏机理的理论方法之一是断裂力学，它规定了岩石在静态或动态载荷下的断裂条件。岩石断裂力学研究的是岩石材料中裂纹的萌生和扩展。根据加载类型，有三种基本断裂模式:Ⅰ型(张开模式)、Ⅱ型(滑动模式或面内剪切模式)、Ⅲ型(滑开模式或面外剪切模式)。
作为断裂参数之一，断裂韧度即临界应力强度因子(SIF)，代表材料抵抗裂纹扩展的能力。断裂韧度是材料最重要的力学性能之一，每种断裂模式都有一个断裂韧度。前人已提出多种Ⅱ型断裂韧度的测量方法，但是已有的方法需要复杂的试件夹具和大量的加工工作来制备试件，而且这些方法产生的裂缝轨迹偏离了原始的切槽面，导致人们对真正的裂缝起裂模式产生怀疑。在断裂力学中，断裂韧度是抗裂纹扩展的度量，计算断裂韧度需要一个初始裂纹。但目前的多种测量方法往往忽略了这个前提，因此，计算断裂韧度方法的可靠性不足。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法，包括以下步骤：
步骤1：制备压缩短芯试样；
步骤2：利用有限元分析软件研究静压力加载条件下试样三维模型的应力场来确定最大剪应力所在平面；
步骤3：由上述平面建立2D模型来确定最佳C/H值；
步骤4：使用J积分法的有限元程序确定无量纲的应力强度因子；
步骤5：由步骤4的结果推导出断裂韧度的公式：
Figure BDA0003055360880000021
其中：其中：C为两个槽口之间的距离；
H为试样的长度；
P是施加在试件端面上的荷载；
D为岩芯直径；
a为切槽的深度，为D/2。
进一步地，所述压缩短芯试样是通过从相反的侧面引入两个平行于核心端部的半通槽口来制作的，切槽间隙不超过1mm；缺口和其最近的试样端部之间的距离相同，切槽前端平行，在穿过试样中心轴线的中间平面形成矩形岩桥。
进一步地，压缩短芯试样非对称切槽间距为试样厚度的1/10～1/5，C/H值，非对称切槽中心线与试样厚度中心线重合。
作为优选，所述测量岩石Ⅱ型静态断裂韧度的非对称切槽短棒形状为长径比为2:1的圆柱试样，例如：直径50mm、长度100mm。
作为优选，所述测量岩石Ⅱ型动态断裂韧度的非对称切槽短棒形状为长径比为1:1的圆柱试样，例如：直径38mm、长度38mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
简化了试样的制备并使用岩芯作为基础的试样；并在数值模拟时考虑了次生裂纹的存在，而次生裂纹也是断裂力学理论计算应力强度因子的先决条件。
附图说明
图1是本发明实施例非对称切槽短棒方法流程图；
图2是本发明实施例压缩短芯试样结构示意图。
图3是本发明实施例实验数据对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法，包括以下步骤：
(1)如图2所示，制备半通切槽的压缩短芯试样(切槽间隙不超过1mm)。
(2)利用有限元分析软件研究静压力加载条件下试样三维模型的应力场来确定最大剪应力所在平面。具体过程如下：
使用有限元程序建立试样的三维(3D)模型，压缩载荷P固定。沿上缺口提取剪切应力的节点，可得到剪应力的最大值位于中心平面(垂直于破坏面)。
(3)建立中心平面的2D压缩短芯试样模型，以研究C/H值对剪应力分布的影响。对应力场进行分析后发现，对于压缩短芯试样，当H/D＝1、2时，C/H值应小于0.3，以确保剪切破坏是沿断裂面进行的。
(4)通过在压缩短芯试件的每个缺口尖端引入次生裂纹。使用J积分法的有限元程序确定无量纲的应力强度因子。结果表明，次生裂纹深度hc在0.2mm至1.0mm范围内，应力强度因子作为hc的函数近似线性增加：
KⅡ＝1.474hc+7.4954
(5)结合上式推导出断裂韧度的公式：
Figure BDA0003055360880000041
其中：C为两个槽口之间的距离；
H为试样的长度；
P是施加在试件端面上的荷载；
D为岩芯直径；
a为切槽的深度，为D/2。
该方法通过制作在岩石两侧引入平行于试样端面的半通切槽的压缩短芯试样。利用有限元分析软件研究静压力加载条件下试样的最佳几何形状。根据断裂力学理论计算应力强度因子的前提条件，考虑沿剪切断裂的次生裂纹的存在。进而通过数值模拟确定试样的应力强度因子并由此推导出断裂韧度的公式。
与PTS方法对比。
PTS方法已被接受为ISRM建议的测定岩石Ⅱ型静态模式断裂韧度的方法。
通过实验比对两者接近(如图3所示)。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种测量岩石Ⅱ型断裂韧度的非对称切槽短棒方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备压缩短芯试样；
步骤2：利用有限元分析软件研究静压力加载条件下试样三维模型的应力场来确定最大剪应力所在平面；
步骤3：由上述平面建立2D模型来确定最佳C/H值；
步骤4：使用J积分法的有限元程序确定无量纲的应力强度因子；
步骤5：由步骤4的结果推导出断裂韧度的公式：
Figure FDA0003055360870000011
其中：其中：C为两个槽口之间的距离；
H为试样的长度；
P是施加在试件端面上的荷载；
D为岩芯直径；
a为切槽的深度，为D/2。
2.根据权利要求书1所述的非对称切槽短棒方法，其特征在于：所述压缩短芯试样是通过从相反的侧面引入两个平行于核心端部的半通槽口来制作的,切槽间隙不超过1mm；缺口和其最近的试样端部之间的距离相同，切槽前端平行，在穿过试样中心轴线的中间平面形成矩形岩桥。
3.根据权利要求书2所述的非对称切槽短棒方法，其特征在于：压缩短芯试样非对称切槽间距为试样厚度的1/10～1/5，C/H值，非对称切槽中心线与试样厚度中心线重合。
4.根据权利要求书3所述的非对称切槽短棒方法，其特征在于：测量岩石Ⅱ型静态断裂韧度的非对称切槽短棒形状为长径比为2:1的圆柱试样。
5.根据权利要求书3所述的非对称切槽短棒方法，其特征在于：测量岩石Ⅱ型动态断裂韧度的非对称切槽短棒形状为长径比为1:1的圆柱试样。
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