CN116256222B - 一种非均质性岩石i型断裂能的获取方法 - Google Patents

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CN116256222B CN202310539032.8A CN202310539032A CN116256222B CN 116256222 B CN116256222 B CN 116256222B CN 202310539032 A CN202310539032 A CN 202310539032A CN 116256222 B CN116256222 B CN 116256222B
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Abstract

本发明公开了一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法，属于岩石力学分析技术领域。该方法包括：利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力‑应变曲线；在加载过程中利用脉冲激光成像系统拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到每个确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面，拍摄的时间精度为皮秒量级；利用三维激光扫描系统对裂纹扩展创造的新断面进行扫描，得到每个时间间隔内新断面的面积；利用得到的各参数计算非均质性岩石的断裂能。本发明不仅实现了对结构复杂的非均质性岩石进行多点I型断裂能的获取，还能够通过确定非均质性岩石样品的断裂能波动范围进行工程指导。

Description

一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法
技术领域
本发明涉及岩石力学分析技术领域，尤其涉及一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法。
背景技术
断裂能是物体抵抗裂纹扩展所消耗的能量，是岩石力学领域的重要参数。确定岩石的断裂能可用于帮助工程现场确定岩石开挖、压裂、爆破所需的输入能量。
目前采用的测量装置和方法，只能得到岩石断裂能的平均值，当岩石在不同位置与结构处的断裂能具有较大差异时，现有的测量方法得到的断裂能则无法有效的指导工程现场的关键施工参数。即当工程基础为均质性岩石时，现有方法得到的断裂能数据具有工程的指导作用。但对于具有特殊结构和非均质性的岩石，断裂能在不同位置与结构处的值有非常大的波动，仅采用平均值难以对工程现场的关键施工参数提出有效的指导。工程现场常见的岩石是由一种或几种矿物和天然玻璃组成的，具有稳定外形的固态集合体。其是一种具有天然缺陷的具有强烈非均质性的三相介质。尤其是页岩、板岩、玄武岩等具有特殊结构的岩石，其非均质性对其力学性质的影响非常大。此外，I型断裂作为最危险的断裂形式，测量岩石的I型断裂能的具体数值和波动规律对于工程现场与施工的安全有着重要的意义。因此，现有的断裂能测量装置和方法无法得到具有复杂结构的非均质岩石在多点处的不同的I型断裂能，从而无法满足对工程现场的指导性需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明提供了一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法，包括：利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线；在加载过程中利用脉冲激光成像系统拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面，拍摄的时间精度为皮秒量级；采用三维激光扫描系统对裂纹扩展创造的新断面进行扫描，得到每个确定时间间隔内新断面的面积；
采用如下公式计算非均质性岩石的I型断裂能
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为裂纹扩展中释放的弹性势能，/>
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采用如下公式计算E、
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为加载过程中的最大应变；
其中，加载设备和脉冲激光成像系统同步开启。
优选地，所述利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线包括：
利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到位移-荷载曲线；
将所述位移-荷载曲线转化为应力-应变曲线，对应的将荷载轴转化为应力轴，位移轴转化为应变轴。
优选地，采用如下公式将所述位移-荷载曲线转化为应力-应变曲线：
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优选地，所述利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载包括：采用万能试验机、霍普金森压杆、摆锤或落槌对非均质性岩石样品进行加载。
优选地，所述脉冲激光成像系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器、分光镜、反射镜、扩束镜组和超快相机；所述分光镜用于将所述脉冲激光器输出的激光分成光强相等的两束激光；所述超快相机用于拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像；所述超快相机的帧率与所述脉冲激光器输出激光的重复频率一致，且所述脉冲激光成像系统的曝光时间与所述脉冲激光器输出激光的皮秒量级的半高宽一致；所述脉冲激光器输出激光到达所述超快相机时，其光强不低于所述超快相机要求的最低照度。
优选地，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一反射镜和第一扩束镜组形成第一光路，所述第二反射镜和第二扩束镜组形成第二光路；所述脉冲激光器输出的激光经过分光镜形成光强相等的两束激光后，分别经过第一光路和第二光路后照射到位于所述加载设备的非均质性岩石样品上；所述第一光路和第二光路对称。
优选地，所述第一扩束镜组和第二扩束镜组均由相邻设置的凹透镜和凸透镜组成，且凹透镜位于凸透镜之前；第一扩束镜组和第二扩束镜组分别设置为相同数量的多组。
优选地，在所述第一扩束镜组和第二扩束镜组中，所述凹透镜和凸透镜之间的距离设置为可调。
优选地，所述凹透镜为平凹透镜，所述凸透镜为平凸透镜，所述凹透镜的远像源面为凹面，所述凸透镜的远像源面为凸面。
优选地，所述脉冲激光成像系统还包括计算机，所述超快相机与所述计算机数据连接，所述计算机用于处理所述超快相机拍摄的非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法，首先利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线；同时在加载过程中利用脉冲激光成像系统拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面，拍摄的时间精度为皮秒量级；并在之后采用三维激光扫描系统对裂纹扩展创造的每个时间间隔内新断面进行扫描，得到每个时间间隔内新断面的面积；然后利用上述加载、扫描和脉冲激光成像中得到的参数计算非均质性岩石的断裂能。不仅能够在非均质性岩石样品裂纹扩展过程中，得到不同位置的断裂能，还能够确定出非均质性岩石样品的断裂能波动范围。实现了对结构复杂的非均质性岩石进行多点I型断裂能的获取，并用于工程指导。
附图说明
图1为本发明所述非均质性岩石I型断裂能的获取方法的流程示意图；
图2为本发明所述加载设备对非均质性岩石样品的加载方式及样品几何参数示意图；
图3为本发明所述脉冲激光成像系统与加载设备结构示意图。
图3中各符号的含义如下：
1-脉冲激光器、2-分光镜、3-第一反射镜、4-第一扩束镜组、5-第二反射镜、6-第二扩束镜组、7-加载设备、8-非均质性岩石样品、9-超快相机。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法，包括：S101，利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线；S102，在加载过程中利用脉冲激光成像系统拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面，拍摄的时间精度为皮秒量级；S103，采用三维激光扫描系统对裂纹扩展创造的新断面进行扫描，得到每个确定时间间隔内新断面的面积；S104，计算非均质性岩石的I型断裂能
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，计算公式如下：
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为加载过程中的最大应变。
其中，加载设备和脉冲激光成像系统同步开启。
该方法的目的是针对非均质性岩石的I型断裂能的获取。在实际应用过程中，首先需从整块大的非均质性岩体中选取具有广泛代表性的非均质性岩石样品，然后通过非均质性岩石样品来测定非均质性岩石的性质。在该方法中，首先进行参数的测量，然后根据测量得到的参数采用公式进行计算。
在测量过程中用到的装置包括三个部分：加载设备、三维激光扫描系统和脉冲激光成像系统。其中，加载设备用于对非均质性岩石样品进行加载（加载方式和样品的几何参数可如图2所示，图2中所示的岩石样品的结构与几何尺寸是国际岩石力学协会对岩石I型断裂研究的推荐方法中的内容，是在该领域受到广泛认可的。采用该结构（具有预制裂纹的半圆盘样品）与同行研究者的结果具有比较价值），以得到应力-应变曲线。在具体实施过程中，可采用高精度电子/液压万能试验机，要求测试精度应至少为0.5级。
此外，其加载载荷与加载位移的传感器的采样频率越高越好，本实施例中不做限制。同时，加载设备的刚度应保证可以得到岩石的全应力-应变曲线。还可采用霍普金森压杆、摆锤、落槌等动态加载设备。由于脉冲激光成像系统具有较高的时间分辨率，本方法犹适用于超高应变率实验（例如冲击、爆破等实验）。
在实际应用过程中，为使非均质性岩石样品产生纯I型断裂，可以根据国际岩石力学协会测试规范的测量方法，对样品进行加载时，采用如表1所示的参数值。
表1
Figure SMS_64
在加载过程中，首先利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到位移-荷载曲线；然后采用如下公式将所述位移-荷载曲线转化为应力-应变曲线，对应的将荷载轴转化为应力轴，位移轴转化为应变轴：
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为非均质性岩石样品的预制裂纹的长度。
测量装置中使用的三维激光扫描系统用于对裂纹扩展创造的新断面进行扫描，得到每个时间间隔内新断面的面积。
脉冲激光成像系统用于在加载过程中拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，每个裂纹扩展图像会显示某个确定时刻裂纹扩展的位置，根据两个确定时刻各自对应的裂纹扩展的位置，即可得到在某个确定的时间间隔内裂纹扩展的长度以及裂纹扩展创造的新断面。本发明实施例中，脉冲激光成像系统拍摄的时间精度可达到皮秒量级，该级别的时间精度可以很好的保证测定的裂纹扩展长度的准确性。
在本发明实施例中，如图3所示，采用的脉冲激光成像系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、分光镜2、反射镜、扩束镜组和超快相机9；所述分光镜2用于将所述脉冲激光器1输出的激光分成光强相等的两束激光；所述超快相机9用于拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像；所述超快相机9的帧率与所述脉冲激光器1输出激光的重复频率一致，且所述脉冲激光成像系统的曝光时间与所述脉冲激光器1输出激光的皮秒量级的半高宽一致；所述脉冲激光器1输出激光到达所述超快相机9时，其光强不低于所述超快相机9要求的最低照度。
具体的，所述反射镜包括第一反射镜3和第二反射镜5，所述扩束镜组包括第一扩束镜组4和第二扩束镜组6，所述第一反射镜3和第一扩束镜组4形成第一光路，所述第二反射镜5和第二扩束镜组6形成第二光路；所述脉冲激光器1输出的激光经过分光镜2形成光强相等的两束激光后，分别经过第一光路和第二光路后照射到位于所述加载设备7的非均质性岩石样品8上；所述第一光路和第二光路对称。
所述第一扩束镜组4和第二扩束镜组6均由相邻设置的凹透镜和凸透镜组成，且凹透镜位于凸透镜之前；第一扩束镜组4和第二扩束镜组6分别设置为相同数量的多组。在所述第一扩束镜组4和第二扩束镜组6中，所述凹透镜和凸透镜之间的距离设置为可调。所述凹透镜为平凹透镜，所述凸透镜为平凸透镜，所述凹透镜的远像源面为凹面，所述凸透镜的远像源面为凸面。
脉冲激光成像系统还包括计算机，所述超快相机9与所述计算机数据连接，所述计算机用于处理所述超快相机拍摄的非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到每个确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面。
本发明提供的脉冲激光成像系统，脉冲激光器输出脉冲激光，作为光源使用。激光经过分光镜后，形成光强相等的两束激光，分别照射到反射镜上，激光经反射镜调节光路后照射在扩束镜组上。经扩束镜组进行扩束与准直后的激光照射在非均质性岩石样品上，非均质性岩石样品安装在加载设备中，加载设备对非均质性岩石样品进行加载，在加载过程中，利用脉冲激光成像系统获得裂纹的扩展相关图像。
由于超快相机的帧率与脉冲激光的重复频率一致，系统的曝光时间与脉冲激光的半高宽一致，在超快相机的一个曝光周期内只射入一束激光，且激光的半高宽与系统曝光时间一致，在超快相机的一个曝光周期的其他时间保持无激光射入，非均质性岩石样品处于暗场。系统的曝光时间取决于脉冲激光的半高宽，且脉冲激光的半高宽为皮秒量级。
基于该成像系统，可以得到某一确定时刻的裂纹的具体位置、某一时间间隔内裂纹扩展的距离以及裂纹扩展创造的新断面。其时间精度为皮秒量级。
综上所述，在以上测量装置中可以得到样品裂纹扩展的全过程、样品裂纹尖端的位移、某一时间间隔内的裂纹扩展距离、样品的加载过程的应力-应变曲线、某一时刻样品的加载位移、某一时刻的加载荷载、某一时间间隔内裂纹扩展创造的新的断面的面积等。需要说明的是，加载设备和脉冲激光成像系统同步开启，从而保证测量得到的参数是相互对应的。
采用测量装置得到各个参数值后，可利用这些参数来计算断裂能。传统的断裂能的计算方法针对均质材料，均质材料各个位置的断裂能相同，因此，只需要计算某个位置的断裂能即可。本发明实施例针对具有非常强的非均质性的样品，因此，不可只测量一点即代表整块样品的断裂能，需要对多个位置的断裂能分别进行计算。为了实现该目的，本发明提供的方法中，采用的脉冲激光成像系统以及与其同步的加载设备得到的参数都具有超高的时间分辨性（可达到皮秒量级），所以可将非均质性岩石样品裂纹扩展分成大量的均匀的时间间隔（可达到皮秒量级），从而可按照这样的时间间隔计算得到非均质性岩石样品上大量不同位置的断裂能数据。
本发明针对的非均质性岩石样品材料为典型的脆性材料，其在断裂过程中的塑性变形极小，可以忽略。因此，在实际应用过程中，加载设备输入的能量完全转变为非均质性岩石样品的弹性势能，当裂纹扩展时，部分弹性势能释放转化为克服新表面生成的能量，这部分能量被认为是断裂能。
由于断裂能是样品抵抗裂纹扩展所消耗的能量，因此，这一参量是一个区域的性质。基于此，本发明中，非均质性岩石某一个裂纹扩展区域的断裂能
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可采用如下公式进行计算：/>
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；
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；
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；
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；
式中，E为非均质性岩石样品的弹性模量，
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为非均质性岩石样品的应力与应变的函数关系，/>
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为加载过程中的最大应变。
需要说明的是，在上述计算过程中，由于样品为脆性断裂，尖端塑性区非常小，因此，断裂过程中造成的塑性能可忽略。另外，此处的断裂并非是指完全失稳断裂破坏，而是指裂纹扩展过一段距离。而且，由于样品在准静态加载过程中出现了裂纹扩展，加载设备的刚度远大于试件的刚度，因此此类情况属于位移固定边界下的裂纹扩展的临界状态。也就是说，在准静态加载过程中，在极短时间内加载设备的加载距离近似为0。
在实际应用过程中，可在非均质性岩石样品裂纹扩展过程中，重复利用上述计算公式，得到非均质性岩石样品在不同位置对应的断裂能数据
Figure SMS_99
，直至裂纹扩展完毕。
在本发明的一个优选实施例中，还可在得到多个位置的断裂能数据后，确定非均质性岩石样品的断裂能波动范围。进而，为了保证工程破岩顺利进行，可根据确定的断裂能波动范围，合理的设置一个能量输入的放大参数
Figure SMS_100
，使输入的能量大于测试样品的断裂能，从而保证岩石断裂。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，包括：
利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线；在加载过程中利用脉冲激光成像系统拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面，拍摄的时间精度为皮秒量级；采用三维激光扫描系统对裂纹扩展创造的新断面进行扫描，得到每个确定时间间隔内新断面的面积；
采用如下公式计算非均质性岩石的I型断裂能
Figure QLYQS_1
：
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；
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为裂纹扩展创造的新断面面积；
采用如下公式计算E、
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：
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；
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；
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；
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；
Figure QLYQS_16
；
Figure QLYQS_17
；
式中，E为非均质性岩石样品的弹性模量，
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为加载过程中的应变，/>
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为加载过程中输入的总能量，/>
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为塑性能，/>
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为裂纹在确定时间间隔内扩展一段距离后对应的应变，/>
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为非均质性岩石样品的应力与应变的函数关系，/>
Figure QLYQS_21
为加载过程中的最大应变；
其中，加载设备和脉冲激光成像系统同步开启。
2.如权利要求1所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到应力-应变曲线包括：
利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载，得到位移-荷载曲线；
将所述位移-荷载曲线转化为应力-应变曲线，对应的将荷载轴转化为应力轴，位移轴转化为应变轴。
3.如权利要求2所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，采用如下公式将所述位移-荷载曲线转化为应力-应变曲线：
Figure QLYQS_30
；
Figure QLYQS_31
；
式中，F为加载的荷载，D为加载设备横梁的加载位移，
Figure QLYQS_32
为非均质性岩石样品的半径，/>
Figure QLYQS_33
为非均质性岩石样品的厚度，/>
Figure QLYQS_34
为非均质性岩石样品的预制裂纹的长度。
4.如权利要求1所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述利用加载设备对非均质性岩石样品进行加载包括：采用万能试验机、霍普金森压杆、摆锤或落槌对非均质性岩石样品进行加载。
5.如权利要求1所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述脉冲激光成像系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器、分光镜、反射镜、扩束镜组和超快相机；所述分光镜用于将所述脉冲激光器输出的激光分成光强相等的两束激光；所述超快相机用于拍摄非均质性岩石样品的裂纹扩展图像；所述超快相机的帧率与所述脉冲激光器输出激光的重复频率一致，且所述脉冲激光成像系统的曝光时间与所述脉冲激光器输出激光的皮秒量级的半高宽一致；所述脉冲激光器输出激光到达所述超快相机时，其光强不低于所述超快相机要求的最低照度。
6.如权利要求5所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一反射镜和第一扩束镜组形成第一光路，所述第二反射镜和第二扩束镜组形成第二光路；所述脉冲激光器输出的激光经过分光镜形成光强相等的两束激光后，分别经过第一光路和第二光路后照射到位于所述加载设备的非均质性岩石样品上；所述第一光路和第二光路对称。
7.如权利要求6所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述第一扩束镜组和第二扩束镜组均由相邻设置的凹透镜和凸透镜组成，且凹透镜位于凸透镜之前；第一扩束镜组和第二扩束镜组分别设置为相同数量的多组。
8.如权利要求7所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，在所述第一扩束镜组和第二扩束镜组中，所述凹透镜和凸透镜之间的距离设置为可调。
9.如权利要求7所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述凹透镜为平凹透镜，所述凸透镜为平凸透镜，所述凹透镜的远像源面为凹面，所述凸透镜的远像源面为凸面。
10.如权利要求5所述的非均质性岩石I型断裂能的获取方法，其特征在于，所述脉冲激光成像系统还包括计算机，所述超快相机与所述计算机数据连接，所述计算机用于处理所述超快相机拍摄的非均质性岩石样品的裂纹扩展图像，以得到确定时刻裂纹扩展的位置以及在确定时间间隔内裂纹扩展的长度和裂纹扩展创造的新断面。
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