用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件及测试方法，所述试件为带切槽的圆盘形试件，试件本体于同一直径对称的位置加工有两个形状大小相同的垂直于直径的矩形安装平面，所述切槽为两个位于试件本体同一直径上形状大小相同的切槽，切槽面沿试件侧面厚度方向和直径方向，开口伸向试件内部并贯穿试件的上下盘板面。将试件安装在霍普金森压杆测试装置的入射杆和透射杆之间，利用冲击杆对入射杆的前端面进行撞击，产生的应力波经设置在入射杆前端面上的波形整形片整形后通过入射杆作用于试件上，由设置在入射杆和透射杆上的应变片采集从撞击开始至试件失效整个过程的入射应变、反射应变以及透射应变，经计算得到岩石II型动态断裂韧度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩石力学与工程领域，特别涉及用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件及岩石II型动态断裂韧度测试方法。
技术介绍
水利、交通、石油、矿业等工程领域均涉及到岩石材料的断裂问题。为了保障工程结构的安全性、稳定性，需要阻止断裂发生，而在爆破开挖、隧道掘进、油气开采中，又需要利用断裂现象来提高破岩效率。断裂韧度作为表征材料抵抗裂纹扩展能力的力学参数，在工程应用与理论研究中均具有重要的价值。根据裂纹体所受荷载的不同，可以将断裂分为I型、II型和III型三种基本模式。I型模式指的是张开型断裂，在此断裂模式下，裂纹尖端的I型应力强度因子KI为正值，裂纹面将张开，值得注意的是，若KI为负值则代表裂纹面受压，裂纹将闭合。II型模式对应面内剪切型断裂，在此断裂模式下，两个裂纹面会产生相对滑动，且滑动方向与裂纹前缘方向垂直。III型模式指的是面外剪切型(又称撕裂型)断裂，两个裂纹面的相对滑动方向与裂纹前缘方向平行。近年来，众研究者对材料的断裂韧度测试进行了大量研究，但无论是在静态还是动态断裂实验中，现有的大多数研究针对的都是材料的纯I型断裂韧度，对于含II型和III型断裂模式的研究相对较少。然而，在实际工程中岩石材料发生纯I型断裂的概率较小，真实的断裂模式往往是复合型断裂，尤其是含有不可忽视的荷载分量-II型应力强度因子KII。II型断裂韧度KIIc作为一种基本材料参数，被广泛应用于岩石断裂数值模拟和工程结构的设计与评估中，因此，岩石KIIc的测试与研究至关重要。目前，在对岩石II型断裂韧度进行测试时，多数研究采用的是带边切槽的三点弯曲梁类型试件或内置裂隙的圆盘试件，研究者认为：只要裂纹尖端的应力强度因子在理论上满足“KI＝0，KII≠0”，测得的断裂韧度就是II型断裂韧度。而事实上，实际产生的裂纹并不沿着初始裂纹面扩展，断裂模式并非面内剪切型(II型)断裂(JiWW,PanPZ,LinQ,etal..InternationalJournalofRockMechanicsMiningSciences,2016,87:48–54)，因此“KI＝0，KII≠0”时计算出的断裂韧度并非真实的II型断裂韧度值。要产生真正的面内剪切型(II型)断裂，总是需要对裂纹施加围压或者负的KI，而且不同围压或负的KI条件下测得的KIIc并不相同。CN105784505A公开了自对中式双面剪切试验装置及Ⅱ型断裂韧性测试方法，该方法采用的试件为单边双切口长方体试件，需要配合包括试样盒、法向压块、位置调节杆、反力支架、法向力加载装置、水平传力杆等的试验装置进行测试，实验装置的结构相对复杂，并且，在计算断裂韧度时未考虑法向荷载或者I型应力强度因子KI的影响，此外，采用该试验装置不能测试高加载率条件下的动态断裂韧度。CN104048883A公开了测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法及其实施装置，该专利技术需要在圆柱型试件的两端预制一定深度的圆形裂缝，此裂缝的制作十分困难，且该专利技术需要在霍普金森杆上增设围压装置，实验装置的结构和操作均较为复杂，不便于工程应用。综上所述，现有的对岩石II型断裂韧度进行测试的方法主要存在以下不足：(1)假定“KI＝0，KII≠0”时产生的裂纹会沿着初始裂纹面扩展，假定发生的断裂为面内剪切型(II型)断裂，但实际上产生的裂纹并不会沿着初始裂纹面扩展，试件的断裂模式实际上仍为张开型(I型)模式，而并非面内剪切型(II型)模式；(2)大多是在材料实验机上进行静态或者准静态加载条件下的实验测定，而关于高加载率条件下的动态断裂韧度测试十分缺乏；(3)要使新生成的裂纹沿着初始裂纹面扩展，以保障测得真实的面内剪切型(II型)断裂韧度，通常需要增加额外的围压装置，实验装置较为复杂，实验过程完成起来也较为困难。
技术实现思路
针对现有岩石II型动态断裂韧度测试试件结构复杂、在岩石II型动态断裂韧度测试时需要配合结构复杂的辅助装置施加围压以及测试操作复杂的技术现状，本专利技术旨在提供用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件及岩石II型动态断裂韧度测试方法，以简化岩石II型动态断裂韧度测试试件的结构和岩石II型动态断裂韧度测试方法。本专利技术提供的用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，所述试件为带切槽的圆盘形试件，圆盘形试件本体于同一直径对称的位置加工有两个形状与大小均相同的垂直于所述直径的矩形安装平面，所述切槽为两个位于圆盘形试件本体同一直径上形状大小相同的切槽，切槽面沿圆盘形试件侧面厚度方向和直径方向，开口伸向圆盘形试件内部并贯穿圆盘形试件的上下盘板面，切槽方向面与安装平面法线之间的夹角θ为10°～90°。上述试件的技术方案中，圆盘形试件本体的半径至少为25mm。上述试件的技术方案中，圆盘形试件本体的厚度与圆盘形试件本体的半径之比为0.6～1.0。上述试件的技术方案中，安装平面为贯穿圆盘形试件本体上下盘的板面。上述试件的技术方案中，安装平面的宽度与圆盘形试件本体的半径之比为0.35～0.52。上述试件的技术方案中，切槽的深度与圆盘形试件本体的半径之比为0.4～0.6。上述试件的技术方案中，切槽的宽度不超过1mm。本专利技术提供的岩石II型动态断裂韧度测试方法，该方法使用上述试件，包括以下步骤：①将试件安装在霍普金森压杆测试装置的入射杆和透射杆之间，使入射杆的后端面、透射杆的前端面分别夹住试件的两个安装平面，利用霍普金森压杆测试装置的冲击杆对入射杆的前端面进行撞击，应力波经设置在入射杆前端面上的波形整形片的整形作用后通过入射杆作用于试件上，应力波在试件上经历反射和透射现象，使用设置在入射杆和透射杆上的应变片采集从撞击开始至试件失效整个过程的入射应变、反射应变以及透射应变；②按式(I)计算荷载随时间的变化值P(t)，式(I)中，E和A分别为入射杆、透射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)、εr(t)分别为入射杆上的应变片测得的入射和反射应变随时间的变化值，εt(t)为透射杆上的应变片测得的透射应变随时间的变化值；然后按式(II)、(Ⅲ)计算I型应力强度因子KI随时间t的变化值KI(t)、II型应力强度因子KII随时间t的变化值KII(t)，KII(t)的最大值即为岩石II型动态断裂韧度KIIc，KII(t)的峰前直线段的斜率为相应的动态加载率KI(t)的最小值为相应的使裂纹闭合的I型应力强度因子KIc，式(II)、(Ⅲ)中，YI和YII分别为无量纲的I型与II型应力强度因子，a为切槽的深度，B为圆盘形试件本体的厚度，R为圆盘形试件本体的半径，YI与YII利用有限元数值软件计算得到。上述测试方法的技术方案中，无量纲的I型和II型应力强度因子YI和YII的大小与试件上切槽的深度、试件本体的厚度、安装平面的宽度、切槽的槽面与安装平面法线方向的夹角大小等因素有关，利用有限元数值软件计算无量纲的I型和II型应力强度因子YI和YII的方法如下：在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件成任一比例的有限元数值模型，在试件的有限元数值模型的两个安装平面上施加任意大小的一对压缩荷载P，然后利用有限元数值计算软件计算输出裂纹尖端的I型和II型应力强度因子KI和KII，通过式(IV)和(V)计算得到无量纲的I型和II型应力强度因子YI和YII，本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，为带切槽(3)的圆盘形试件(1)，其特征在于圆盘形试件本体于同一直径对称的位置加工有两个形状与大小均相同的垂直于所述直径的矩形安装平面(2)，所述切槽(3)为两个位于圆盘形试件本体同一直径上形状大小相同的切槽，切槽方向沿圆盘形试件侧面厚度方向和直径方向，开口伸向圆盘形试件内部并贯穿圆盘形试件的上下盘板面，切槽方向面与安装平面的法线之间的夹角θ为10°～90°。

【技术特征摘要】
1.用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，为带切槽(3)的圆盘形试件(1)，其特征在于圆盘形试件本体于同一直径对称的位置加工有两个形状与大小均相同的垂直于所述直径的矩形安装平面(2)，所述切槽(3)为两个位于圆盘形试件本体同一直径上形状大小相同的切槽，切槽方向沿圆盘形试件侧面厚度方向和直径方向，开口伸向圆盘形试件内部并贯穿圆盘形试件的上下盘板面，切槽方向面与安装平面的法线之间的夹角θ为10°～90°。2.根据权利要求1所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于圆盘形试件本体的半径(R)至少为25mm。3.根据权利要求2所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于圆盘形试件本体的厚度与圆盘形试件本体的半径(R)之比为0.6～1.0。4.根据权利要求1至3之一所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于安装平面为贯穿圆盘形试件本体上下盘板面的平面。5.根据权利要求4所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于安装平面的宽度(H)与圆盘形试件本体的半径(R)之比为0.35～0.52。6.根据权利要求1至3之一所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于切槽的深度(a)与圆盘形试件本体的半径(R)之比为0.4～0.6。7.根据权利要求6所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于切槽的深度(a)与圆盘形试件本体的半径(R)之比为0.4～0.6。8.根据权利要求6所述用于岩石II型动态断裂韧度测试的试件，其特征在于切槽的宽度不超过1mm。9.利用权利要求1至8之一所述试件测试岩石II型动态断裂韧度的方法，其特征在于包括以下步骤：①将试件(1)安装在霍普金...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴峰，魏明东，徐奴文，许媛，刘燚，赵涛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51