同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，旨在解决无法确定无尺寸效应的岩石真实断裂韧性的技术难题。其主要步骤如下：选取试件高度W≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载Pmax，经过计算得到试件的名义强度σn；将试件的名义强度σn与等效裂缝长度ae再次计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度ft和断裂韧度KIC。本发明简单可行，试验易操作，且具有足够精度，且易判断结果合理性。
【专利说明】
同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法
技术领域
[0001] 本发明属于岩土工程领域，特别是涉及一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂 韧度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，进行岩石类材料的断裂韧度测试试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、 试验系统等都有严格限制，使得岩石断裂韧度的试验试件制作和试验测试相对较为复杂。 比如，美国材料与测试协会(ASTM)提出的单边直裂纹三点弯曲梁试件；国际岩石力学协会 推荐采用三点弯曲圆棒试件、人字形切槽短圆棒试件、人字形切槽巴西圆盘试件等；以及其 他研究者提出的单边切槽半圆盘三点弯曲试件、环形盘紧凑拉伸试件、单边直裂缝四点弯 曲梁试件、边切槽圆盘劈裂试件、平台巴西圆盘试件、中心圆孔平台巴西圆盘试件等等。
[0003] 根据美国ASTM E399规范，若满足线弹性断裂力学条件，测定无尺寸效应的材料断 裂韧度，采用试件的厚度B，初始裂缝长度aQ，韧带尺寸W-a Q均需满足：
[0005] Kk为材料断裂韧度，ft为材料的抗拉强度。则按ASTM的规定测定岩石的断裂韧度， 试件高度W-般要达到300mm左右。而现有测定岩石断裂韧度的所用试件尺寸一般都小于 ASTM规范要求，因此测定的断裂韧度处于弹塑性断裂条件下所得数据，而不是岩石类材料 的真实断裂韧度。因此，如何由处于弹塑性断裂条件下的小尺寸试件，来确定无尺寸效应的 岩石真实断裂韧性，是亟待解决的科学难题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，本发 明简单可行，试验易操作，且具有足够精度，且易判断结果合理性。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0008] 设计一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，选取试件高度 400mm的试件并得到其实测的峰值荷载Pmax，经过计算得到试件的名义强度 〇n;将试件的名 义强度〇n与等效裂缝长度ae带入式（1)计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度f t和断裂韧 度KIC
⑴.
[0010] 优选的，所述试件选取的方式有两种，具体如下：
[0011] 1)采用具有相同初始缝高比a，但试件高度W不同的试件，试件高度W选择3-5种变 化，每个试件高度W对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比a = aQ/W在0.20-0.60区间离散 取值；
[0012] 2)采用具有相同试件高度W但初始裂缝长度ao不同的试件，试件初始缝高比选择 4-6种变化，每个初始缝高比对应2-6个试件，其中试件的初始缝高比a = aQ/W在0.0、0.05、 0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80之间离 散取值。
[0013] 优选的，所述试件为三点弯曲梁试件、紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件。
[0014] 优选的，当采用三点弯曲梁试件时，名义强度〇"和等效裂缝长度的计算方法如 下：
[0015] 1)基于试件的实测峰值荷载Pmax，由式(2)计算出试件的名义强度〇 n;
(2)
[0017] 式(2)中，= W-ao; W2 = WrcUx; W3 = Wi+cUx; W为试件高度;Pmax为试件实测的峰值 荷载;B为试件厚度;dmaxS试件的最大岩石颗粒粒径；
[0018] 2)试件的等效裂缝长度ae由式(3)计算：
[0022] 当 L/W=8 时，Y(c〇 = 1 ? 106-1 ? 552a+7 ? 71a2-13 ? 53a3+14 ? 23a4;
[0023] 以上各式中，ao为试件的初始裂缝长度;a = aQ/W为初始缝高比;Y(a)为几何影响参 数;L为试件有效长度;W为试件高度。
[0024]优选的，当采用紧凑拉伸试件或楔入劈拉试件时，其名义强度~和等效裂缝长度& 的计算方法如下：
[0025] 1)基于试件的实测峰值荷载Pmax，由式(4)计算出试件的名义强度〇n;
(4)
[0027] 式(4)中，W! = W-ao; W2 = Wi-cUx; W3 = Wi+cUx; W为试件高度;Pmax为试件实测的峰值 荷载;L为试件有效长度;B为试件厚度;dmaxS试件的最大岩石颗粒粒径；
[0028] 2)试件的等效裂缝长度ae由式(5)计算：
[0030] 其中
[0031] 以上各式中，ao为试件的初始裂缝长度;a = aQ/W为初始缝高比;Y (a)为几何影响参 数。
[0032]优选的，得到同种试件选择方式的不同试件的〇n与~后，带入式（1)进行回归分析， 即可同时测定岩石试样的抗拉强度ft与断裂韧度KIC。
[0033]优选的，在压力试验机或者万能试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破 坏并得到每个试件实测的峰值荷载Pmax。
[0034]本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0035] 1)采用的试件尺寸不需满足现有规范对于试件高度、厚度、初始裂缝长度等的严 格要求；
[0036] 2)-次测试即可同时确定岩石类材料的抗拉强度及断裂韧度；
[0037] 3)对于试件初始裂纹ao的形成，只需采用切割机切缝，不需要预制裂缝。
【附图说明】
[0038] 图1为由实施例1中采用三点弯曲梁试件的试验数据回归确定岩石的抗拉强度与 断裂韧度；
[0039] 其中图1(a)表示的试件尺寸为：LXBXW= 120X25 X 30mm，采用图1(b)表示的试 件尺寸为：LXBXW=240X50X60mm;
[0040]图2为由实施例2中采用紧凑拉伸试件试验数据回归确定岩石的抗拉强度与断裂 韧度。
【具体实施方式】
[0041 ]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。以下实施例中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法， 所涉及的材料如无特别说明，均为市售材料。
[0042]实施例1: 一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，包括如下步骤： 采用三点弯曲梁试件，试件的岩石颗粒最大粒径dmax = 3mm，试件的选择方式为:试件高度W 相同但初始裂缝长度ao不同，且试件的初始缝高比选择4-6种变化，每个初始缝高比包括2-6个试件，采用切割机对试件切出不同的裂缝长度ao。
[0043] 本实施例中试件分为两组，第一组试件尺寸为LXBXW=120X25 X60mm，初始缝 高比 a = a〇/W = 0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6;第二组试件尺寸为1\8\1=280\25\ 70mm,初始缝高比 a = a〇/W=0.0、0.10、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.75;
[0044] 首先在Instron5982型压力试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破坏，试 验过程中记录每个试件实测的峰值荷载P max。
[0045] 试件试验完成后，基于每个试件的实测峰值荷载Pmax，由式(2)计算出每个试件的 名义强度〇n;由式(3)计算每个试件的等效裂缝长度au得到不同的 〇n与~后，带入式（1)进 行回归分析，即可同时得出岩石的抗拉强度ft与断裂韧度KIC。
[0046] 其中，如图1中（a)所示，第一组试件得到的岩石的抗拉强度ft = 8.14MPa，断裂韧 度Kk= 1.63MPa ? mV2;第二组试件得到的岩石的抗拉强度ft = 8.67MPa，断裂韧度KIC = 1.91MPa?m1/2。第一组与第二组试件的结果吻合良好，基本一致，表明本实施例1采用的方 法具有足够的精度，且易判断结果合理性。
[0047] 实施例2:-种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，包括如下步骤： 采用紧凑拉伸试件型式，试件的岩石颗粒最大粒径d max=1.3mm，试件具有相同初始缝高比a =&〇/1=0.5，不同试件高度1 = 58，100,200,300和400臟，每个试件高度1的选择包括2-4个 试件。参见图2,基于每个试件的实测峰值荷载P max，由式(4)计算出每个试件的名义强度〇n; 由式(5)计算每个试件的等效裂缝长度得到不同的 〇"与&(5后，带入式（1)进行回归分析， 即可同时得出岩石的抗拉强度ft=l〇.54MPa，断裂韧度K IC = 1.69MPa ? m1/2。
【主权项】
1. 一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，选取试件高度W 《400mm的试件并得到其实测的峰值荷载Pmax,经过计算得到试件的名义强度On;将试件的 名义强度On与等效裂缝长度ae带入式（1)计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度ft和断裂 初度KiC(1)。2. 如权利要求1所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，所 述试件选取的方式有两种，具体如下： 1) 采用具有相同初始缝高比〇,但试件高度W不同的试件，试件高度W选择3-5种变化，每 个试件高度W对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比a = ao/W在0.20-0.60区间取值； 2) 采用具有相同试件高度W但初始裂缝长度ao不同的试件，试件初始缝高比选择4-6种 变化，每个初始缝高比对应2-6个试件，其中试件的初始缝高比a = ao/W为0.0、0.05、0.10、 0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80。3. 如权利要求2所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，所 述试件为=点弯曲梁试件、紧凑拉伸试件或模入劈拉试件。4. 如权利要求3所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，当 采用=点弯曲梁试件时，名义强度On和等效裂缝长度ae的计算方法如下： 1)基于试件的实测峰值荷载Pmax,由式(2)计算出试件的名义强度曰n;巧) 式(2 )中，Wl = w-ao; W2 = W广cUx ; W3 = Wl+cUx ; W为试件高度;Pmax为试件实测的峰值荷载； B为试件厚度;dmax为试件的最大岩石颗粒粒径；2 )试件的望'汾效缝麽a。由^ n W+省；. (3) 当 L/W=; 当 L/W=4 当 L/W=8时，Y(a) = 1.106-1.55 化巧.710^13.53〇3+14.23口4; W上各式中，a日为试件的初始裂缝长度;a = a日/W为初始缝高比;Y(Q)为几何影响参数;L 为试件有效长度;W为试件高度。5. 如权利要求3所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，当 采用紧凑拉伸试件或模入劈拉试件时，其名义强度On和等效裂缝长度ae的计算方法如下： (4) 1) 基于试件的实测峰值荷载Pmax，由式(4)计算出试件的名义强度曰n;吉..... , , _______高度;Pmax为试件实测的峰值荷载； L为试件有效长度;B为试件厚度;Clmax为试件的最大岩石颗粒粒径； 2) 试件的等效裂缝长度ae由式巧)计算： 其中，W上各式中，a日为试件的初始裂缝长度;a = a日/W为初始缝高比;Y(Q)为几何影响参数。6. 如权利4或5所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征在于，得 到同种试件选择方式的不同试件的On与ae后，带入式（1)进行回归分析，即可同时测定岩石 试样的抗拉强度ft与断裂初度Kic。7. 如权利要求1-5任一所述同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂初度的方法，其特征 在于，在压力试验机或者万能试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件破坏并得到每 个试件实测的峰值荷载Pmax。
【文档编号】G01N3/20GK105910899SQ201610231363
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】管俊峰, 王玉锁, 胡晓智, 姚贤华, 白卫峰, 谢超鹏, 王强, 赵顺波
【申请人】华北水利水电大学