用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件及测试方法与流程

本发明属于岩石力学与工程领域，特别涉及用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件及测试方法。

背景技术：

在岩石工程中，为了保障工程结构的安全性和稳定性，需要避免岩石发生断裂，而在隧道掘进、边坡开挖、油气开采时，又需要加速断裂现象、提高破岩效率。岩石断裂韧度作为岩石断裂力学中表征岩石材料抵抗断裂的力学参数，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方式的不同，可将断裂分为I型(张开型)、II型(面内剪切型)和III型(面外剪切型，又称撕裂型)三种基本模式，相应地，断裂韧度也可细分为I型、II型和III型断裂韧度，即K_Ic、K_IIc和K_IIIc。在岩石工程的结构设计、安全评估和数值模拟中，K_Ic、K_IIc和K_IIIc往往是不可或缺的基本力学参数。因此，开发简便的试验方法用以准确测试断裂韧度是岩石断裂力学中的一项重要研究课题。

近年来，许多研究者对岩石断裂韧度测试开展了大量的研究，但现有研究大多针对的是I型或II型断裂韧度，对于III型断裂韧度测试的研究相对较少，这是因为：在实验室内，对试件施加I型和II型荷载比较容易，而要施加III型荷载往往需要十分复杂的装置和非常繁琐的操作。因此，有必要发展简便可行的试验方法用于测试岩石材料的III型断裂韧度，以供实际工程应用。

CN103471935A公开了一种用于测试塑性材料Ⅲ型断裂韧度的试件，该试件为长方形平板试件，长边＞宽边＞厚度，在平板两条长边的中间位置对称设置两条垂直于长边的初始切槽裂纹，在开槽后剩余的、起连接作用的韧带的两个表面设置对称V型边切槽，该试件能在一般的万能试验机上完成试验。但是，若将该试件应用于岩石材料的Ⅲ型断裂韧度测试，将存在以下不足：(1)岩石材料通常是在工地现场通过钻芯的方式取得，得到的岩石呈圆柱体，加工成长方形薄板的难度较大；(2)该试件需要制作较浅的V型切槽，此V型切槽制作起来十分不易，尤其是对于粗颗粒的岩石材料，容易给试件造成额外的损伤，影响试件精度；(3)使用该试件测试时是通过支撑座支点对长方形试件的4个角点进行加载，施加的荷载为点荷载，加载位置正好处于长方形试件角点，此加载方式实现起来十分困难，容易因加载角点先于裂纹端部开裂而造成试验失效；(4)该发明中并未说明试验后如何计算III型断裂韧度，因此并不完备。

技术实现要素：

针对现有III型断裂韧度测试试件结构复杂、制作难度大以及没有成熟可行的III型断裂韧度测试方法的技术现状，本发明旨在提供用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件及测试方法，以简化岩石III型断裂韧度测试组件的结构，填补现有技术中岩石III型断裂韧度测试方法的缺失。

本发明提供的用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件，包括带切槽的试件本体和抵压试件本体的压头，所述试件本体呈圆盘形，位于其上的切槽为四个形状相同的切槽，分别位于本体相互垂直的两直径上，四个切槽均沿试件本体侧面的厚度方向向试件本体中心线开口、向本体内部延伸并贯穿试件本体的上下端面；所述压头为四个形状相同与试件端平面成点接触的弧端面压头，两个压头对称位于试件本体一侧端面同一直径上，另两个压头对称位于试件本体另一侧端面同一直径上，两直径相互垂直且分别与切槽所在两直径呈45°夹角，各压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离相等。

上述试件组件的技术方案中，所述压头以其平底面与试件本体端面平行的方式粘附在试件本体端面上。

上述试件组件的技术方案中，试件本体的厚度与试件本体的半径之比为0.2～0.4。

上述试件组件的技术方案中，切槽的深度与试件本体的半径之比为0.4～0.6。

上述试件组件的技术方案中，试件本体的半径至少为25mm，切槽的宽度不超过1mm。

上述试件组件的技术方案中，压头的端头为球面或椭球面压头；优选半球体压头或者半椭球体压头。

上述试件组件的技术方案中，压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离，即到试件本体端平面边缘的距离，优选为5～10mm。

本发明还提供的利用上述试件组件用于岩石III型断裂韧度测试组件进行测试的方法：将试件组件水平放置在万能试验机的工作平台上，采用万能试验机以位移控制的方式通过试件组件的压头对试件本体进行加载直至试件本体失效，加载方向垂直于试件本体的上下端面，记录试件本体的峰值失效荷载P_max，按式(I)计算岩石III型断裂韧度K_IIIc：

式(I)中，S为任一压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离，S＝R-压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离，a为切槽的深度，B和R分别为试件本体的厚度和半径，Y为试件的几何形状系数，Y值利用有限元数值软件计算得到。

上述岩石III型断裂韧度测试方法的技术方案中，采用万能试验机以位移控制的方式通过试件的压头对试件进行加载时，控制加载速率使试件本体在30～60秒失效。试件本体失效是指试件本体被破坏完全失去承载能力。

上述岩石III型断裂韧度测试方法的技术方案中，试件的几何形状系数Y值的大小与切槽的深度、试件本体的半径以及压头的设置位置等因素有关，利用有限元数值软件计算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载点对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件输出裂纹尖端的III型应力强度因子K_III，通过式(II)计算得到Y值：

式(II)中，B′、R′、和a′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中B、R和a的物理意义相同，S′为试件本体的有限元数值模型中加载点到该加载点所在试件本体端面圆心的距离，与试件本体中S的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均为同一比例。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种新型结构的用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件，该试件组件由带直形边切槽的圆盘形试件本体和压头组成，试件本体可由工地现场钻取的圆柱形岩芯经简单切割后得到，然后在试件本体上粘结上压头即完成该试件的制作，由于圆盘形试件本体可减少切割加工量，直形边切槽可有效降低加工难度，尤其是对于粗颗粒的岩石材料，还能减少加工时的试件损伤、提高加工精度，与现有的带V型边切槽的长方形平板试件相比，本发明所述试件组件不但制作方式简单、加工难度低，而且能提高试件的加工精度。

2.本发明所述用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件通过压头在试件本体上的巧妙布置，配合一般的万能试验机即可通过压头实现对裂纹的III型加载，加之加载位置与试件本体上切槽的形式和位置设置合理，加载时不会因加载点先于裂纹端部开裂而造成试验失效，与传统III型断裂韧度测试试件相比，无需配合使用复杂的加载以及夹持装置即可实现III型荷载的加载，还能避免复杂的加载操作，本发明所述试件具有加载方式简单、易操作和有利于提高加载精度的优势。

3.本发明还提供了利用上述试件组件进行岩石III型断裂韧度测试的方法，该方法利用本发明提供的试件组件配合普通的万能试验机即可实现加载，而且该方法的操作过程和岩石III型断裂韧度的计算过程均十分简单，因此该方法在试件制作、设备需求、试验过程和经费投入上都具有较大的优势，该方法填补了现有技术中岩石III型断裂韧度测试的缺失，可有效解决岩石工程中对简便可行的III型断裂韧度测试方法的实际需求，实用性强，有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明所述用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件的立体图；

图2是本发明所述用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件的俯视图；

图3是本发明所述方法的加载示意图；

图中，1—试件本体、2—切槽、3—压头、R—试件本体的半径、S—任一压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离、B—试件本体的厚度、a—切槽的深度、t—切槽的宽度、d—半球体压头的直径。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件及测试方法进一步说明。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

本实施例中，用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件的结构如图1～2所示，该试件本体由施工现场钻取的圆柱形岩芯经金刚石切片机切割制作而成。

用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体1呈圆盘形，该圆盘形试件本体的半径R＝50mm、厚度B＝10mm，位于其上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于本体相互垂直的两直径上，四个切槽均沿试件本体侧面的厚度方向向试件本体中心线开口、向本体内部延伸并贯穿试件本体的上下端面，切槽的深度a＝25mm、切槽的宽度t＝1mm；所述压头3为四个直径d均为10mm的钢质半球体，各压头以其平底面与试件本体端面平行的方式粘附在试件本体端面上，两个压头对称位于试件本体一侧端面同一直径上，另两个压头对称位于试件本体另一侧端面同一直径上，两直径相互垂直且分别与切槽所在两直径呈45°夹角，各压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离均为5mm，即压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离S均为45mm。

实施例2

本实施例中，用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件的结构如图1～2所示，该试件本体由施工现场钻取的圆柱形岩芯经金刚石切片机切割制作而成。

用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体1呈圆盘形，该圆盘形试件本体的半径R＝60mm、厚度B＝24mm，位于其上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于本体相互垂直的两直径上，四个切槽均沿试件本体侧面的厚度方向向试件本体中心线开口、向本体内部延伸并贯穿试件本体的上下端面，切槽的深度a＝36mm、切槽的宽度t＝1mm；所述压头3为四个直径d均为10mm的钢质半球体，各压头以其平底面与试件本体端面平行的方式粘附在试件本体端面上，两个压头对称位于试件本体一侧端面同一直径上，另两个压头对称位于试件本体另一侧端面同一直径上，两直径相互垂直且分别与切槽所在两直径呈45°夹角，各压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离均为10mm，即压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离S均为50mm。

实施例3

本实施例中，用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件的结构如图1～2所示，该试件本体由施工现场钻取的圆柱形岩芯经金刚石切片机切割制作而成。

用于岩石III型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体1呈圆盘形，该圆盘形试件本体的半径R＝25mm、厚度B＝5mm，位于其上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于本体相互垂直的两直径上，四个切槽均沿试件本体侧面的厚度方向向试件本体中心线开口、向本体内部延伸并贯穿试件本体的上下端面，切槽的深度a＝10mm、切槽的宽度t＝0.8mm；所述压头3为四个直径d均为8mm的钢质半球体，各压头以其平底面与试件本体端面平行的方式粘附在试件本体端面上，两个压头对称位于试件本体一侧端面同一直径上，另两个压头对称位于试件本体另一侧端面同一直径上，两直径相互垂直且分别与切槽所在两直径呈45°夹角，各压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离均为5mm，即压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离S均为20mm。

实施例4

本实施例中，采用实施例1所述试件组件配合万能试验机测试岩石的III型断裂韧度，操作如下：

将实施例1所述试件组件水平放置在万能试验机的工作平台上，使试件本体的上端面朝上、下端面朝下，采用万能试验机以位移控制的方式通过试件的压头对试件进行加载直至试件本体失效，加载方向垂直于半球形压头的底面，控制加载速率使试件在30～60秒失效，加载示意图如图3所示，记录试件本体的峰值失效荷载P_max，按式(I)计算岩石III型断裂韧度K_IIIc，

式(I)中，S为任一压头与试件本体的接触点到该压头所在试件本体端面圆心的距离，S＝R-压头与试件本体的接触点到试件本体侧面的垂直距离，a为切槽的深度，B和R分别为试件本体的厚度和半径，Y为试件的几何形状系数，Y值利用有限元数值软件计算得到。

利用有限元数值软件计算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的试件本体的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载点对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件输出裂纹尖端的III型应力强度因子K_III，通过式(II)计算得到Y值，

式(II)中，B′、R′、和a′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中B、R和a的物理意义相同，S′为试件本体的有限元数值模型中加载点到该加载点所在试件本体端面圆心的距离，与试件本体中S的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均为同一比例。

对于本实施例，按照上述方法确定的Y值为1.113。

将Y、P_max、S、a、B和R的值代入式(I)中，即可计算得到岩石III型断裂韧度K_IIIc＝YP_maxS(πa)^0.5/(BR²)＝1.113P_max×45×(25π)^0.5/(10×50²)(单位：MPa·m^0.5)，此处计算中P_max以牛顿(N)为单位。