用于岩石i-ii复合断裂韧度测试的深梁试件及复合断裂韧度测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩石断裂韧度测试领域，特别涉及断裂韧度测试的岩石试件及断裂韧 度测试方法。
【背景技术】
[0002] 开展岩石断裂韧度测试方法研究是准确获取岩石断裂韧度值的重要前提， 也是进行岩石断裂力学理论和应用探索的重要途径。国际岩石力学学会（ISRM)先 后建议了人字形切槽短圆棒短圆棒（SR)试样（Barker L M. A simplified method for measuring plane strain fracture toughness[J]. Engineering Fracture Mechanics，1977, 9 (2) : 361-369)、人字形切槽三点弯曲圆棒（CB)试样（Ouchterlony F. Suggested methods for determining the fracture toughness of rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 1988,25(2):71-96)、 人字形切槽巴西圆盘（CCNBD)试样（Fowell R J. Suggested method for determining mode I fracture toughness using cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) specimens[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts，1995, 32 (I) : 57-64)和穿透直切槽半圆盘弯曲（SCB) 试样（Kuruppu M D，Obara Y，Ayatollahi M R，Chong K P，Funatsu Τ· ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2014, 47 (I) : 267-274)用于 I 型静态断裂韧度测试。这四种试件均是在钻取的岩芯基础上进一步加工获得。其中，若从一 个完整圆盘切割制作两个SCB试件，会损失掉部分材料成为非标准半圆盘，测试结果需要 理论修正。若加工标准SCB试样，则一个圆盘只能加工一个试件，浪费材料。美国材料与试 验协会（ASTM)也提供了包含单边切槽梁（SENB)三点弯曲试验（ASTM E1820-01. Standard test method for measurement of fracture toughness[S]. West Conshohocken:ASTM International，2001)、圆盘紧凑拉伸（DCT)试验（Sun，Z.，Ouchterlony，F. Fracture toughness of Stripa granite cores [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts，1986, 23(6) :399-409)等在内的多种试 件构形和测试方法用于材料断裂韧度测试。矩形横截面的SENB试件在多种行业内均被广 泛米用C3
[0003] 但在油气开采领域井下取芯十分困难，岩芯数量往往十分有限。为了尽可能研究 相似地质构造条件储层岩石的力学性质，一般做法是先选取相同地质构造区块的块状岩石 露头在室内加工成所需数量岩样开展相关岩石力学试验。在其他工程领域（如采矿工程、 地下工程等），岩块也比岩芯更易获取，取样经济成本也更低廉。相比钻取的岩芯，块状岩石 典型特点是形状和尺寸各异。对于采用外形为圆的断裂韧度测试构形，必须增加室内钻芯 工序。为了成功钻芯，要求岩块必须比钻取岩芯的尺寸大得多，这个缺陷在加工大尺寸SR、 CB、CCNBD和SCB试样时极为突出。另外，由于用于钻取岩芯的钻头尺寸有限，加工大尺寸 (注：岩石混凝土尺寸效应研究中需要采用一系列尺寸的试样）圆形或圆盘类试样必然受 限。相比较而言，像SENB这类非圆构形只需切割工序即可从岩块加工出所需尺寸的试件， 避免了在尺寸有限的岩块上钻芯。但另一方面，实际岩石工程中，岩石裂缝除承受I型载荷 外，还承受I/II复合型和II型载荷。为了准确预测岩石裂缝扩展，开展岩石复合断裂韧度 测试十分必要。SENB试件通过非对称三点弯曲加载或者四点弯曲加载也可以实现I/II复 合断裂测试，但是非对称三点弯曲加载下的SENB试件不能实现纯II型加载，四点弯曲加载 试验实现过程较为复杂。同时，标准的三点弯曲SENB试件的支座间距为4倍试件宽度，由 于跨距大必然使得裂缝尖端应力集中程度更大进而导致破坏载荷更小，因此该试件更适合 金属类材断裂韧度测试，对岩石和混凝土等脆性材料而言并不够理想。CB试样与SENB试样 存在类似问题，测试时材料发生断裂需要的载荷较小。SR试样只适用于岩石I型断裂韧度 测试。CCNBD和SCB试件虽可通过调整裂缝倾角和裂缝长度等方法实现从纯I型到纯II型 整个复合加载区间的I-II复合断裂韧度测试，但如前所述，试件（尤其是大尺寸试件）加 工困难。
[0004] 综上所述，研究结构形式简单且易于利用岩块加工的岩石I-II复合断裂韧度测 试的试件及岩石I-II复合断裂韧度测试方法十分必要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有试件构形的不足，提供一种适用于岩石I-II复合断 裂韧度测试的深梁试件及岩石I-II复合断裂韧度测试方法，该试件结构形式简单，易于利 用岩块加工，且能实现从纯I型到纯II型整个复合加载区间的I-II复合断裂韧度测试。
[0006] 本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件，所述深梁试件本体为 长方体形体，本体上设置有沿本体下端面厚度B方向中心线开口，向本体内部延伸，并贯穿 本体厚度方向前后端面的切槽，切槽槽面与试件本体垂直于长度方向的横截面的夹角β 为0° < β <60°，试件本体的宽度W控制在0. 5L±0.0 IL范围，试件本体的厚度B不小 于长度L的0. 4倍，且不小于30mm，L为本体的长度。
[0007] 上述深梁试件，试件本体任意相邻两个面的夹角最好控制在90° ±0.5°的范 围。
[0008] 上述深梁试件，试件本体一个方向任意两个位置的断面尺寸偏差最好不超过 0. 2mm〇
[0009] 上述深梁试件，试件本体的长度L最好不小于岩石颗粒尺寸的10倍，且不小于 76mm〇
[0010] 上述深梁试件，所述切槽的长度a为0. 4W彡a彡0. 6W，W为本体的宽度，切槽的宽 度b小于I. 5mm〇
[0011] 本发明所述用于岩石I-II复合断裂测试的深梁试件制作方法：
[0012] 将从工程现场或野外采集的岩块用岩石切割机加工成比所需尺寸略大的试件本 体，使用磨床将本体的一面磨平，接着使用已磨平的面作基准面打磨背面。使用磨床打磨 时，每次进刀小于1mm，直到打磨到所需厚度。当形成两个平行的平面后即可使用已通过百 分表校准的虎钳夹住试样本体打磨两个侧面，直到两个侧面的距离满足尺寸要求。如此反 复即可将本体6个面打磨完成，经过磨床打磨的本体两个相邻面具有很好的垂直度，从而 保证了三点弯曲加载时试件沿厚度方向与加载压头、两个支座有良好的线接触，避免由于 用于加载和支撑的本体上下端面不平行导致的加载端压头与试件表面点接触。需要注意的 是，若有双刀切割机用于加工岩样则可更为方便地调整两个刀片的距离用于控制每次切割 的厚度，加工更为便捷。也可使用双端面磨床进行打磨，减小工作量。加工完成后的试件本 体任意相邻两个面的夹角应控制在90° ±0.5°，本体一个方向任意两个位置的断面尺寸 偏差最好不超过0. 2mm。
[0013] 若条件允许，推荐使用万向虎钳配合铣床进行预制切槽加工，万向虎钳和铣床机 头均可旋转调节，适用于裂缝倾角组数较多的试件加工。与此同时，还应在试件表面沿夹角 β方向进行划线校核。为了得到尽可能满足断裂力学要求的切槽尖端，必须严格控制裂缝 宽度。推荐使用厚度为〇. 3_~Imm的刀具切割，或使用很细的线锯直接加工至所需裂缝 长度。切槽预制过程中，每次进刀宜小于a/ΙΟ且不应大于4mm。当使用厚度小于0.5mm的 金刚石刀片切割切槽时，可直接切割至所需切槽长度a ;若使用大于0. 5mm的刀片切割切槽 时，则切割长度应略小于a，之后使用超薄锯片对切槽前沿进行精细打磨至所需长度。
[0014] 本发明所述岩石I-II复合断裂韧度测试方法，是将被测岩石的岩块制作成上述 深梁试件，然后使用对称三点弯曲加载方式进行岩石I-II复合断裂韧度试验，包括如下步 骤：
[0015] (1)在0· 4W彡a彡0· 6W范围内选定切槽长度a，并在0· 5W彡d彡0· 7W范围内选 定支座半间距d，利用有限元数值软件计算夹角β为60°时切槽尖端的应力强度