测试岩石I‑II复合型动态断裂韧度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i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件及测试岩石i-ii复合型动态断裂韧度的方法。

背景技术：

岩石断裂韧度是岩石断裂力学中表征岩石材料抵抗裂纹扩展能力大小的重要参数。根据裂隙岩石所受荷载的不同，岩石断裂韧度可以细分为i型(张开型)、ii型(滑开型)和iii型(撕开型)三种基本类别。在工程中，岩石发生纯i型、纯ii型或纯iii型断裂的概率极小，真实的断裂模式往往是i-ii复合型。于是，岩石i-ii复合型断裂韧度成为岩石断裂力学理论研究与工程应用中不可或缺的材料参数。另一方面，岩石的动态断裂行为和能量耗散规律同爆炸、撞击、地震等动力荷载作用下岩石材料的动力特性和破坏机理有着密切联系，岩石的动态力学性能日益受到重视。发展简便的测试方法用以获取准确的岩石i-ii复合型动态断裂韧度极其重要。

近年来，研究者提出了一些试件和方法用以测试岩石的i-ii复合型断裂韧度。一种常见的测试方法采用带边切槽的半圆盘试件以及三点弯曲加载方式(alihamrm,ayatollahimr,akbardoostj.rockmechanicsandrockengineering,2012,45(1):65–74)。此方法中，三点弯曲试验夹具的两个支撑销对称地位于半圆盘试件对称轴的两侧，为了实现不同复合度的i-ii复合型加载，需要制作多组不同切槽倾斜角的试件。然而，在半圆盘岩石试件上制作多种不同倾斜角度的边切槽使得试样制备过程复杂，而且精度较低。另外，i-ii复合型测试通常还要求能够实现纯ii型加载，而在此方法上实现纯ii型加载常常需要切槽倾斜角超过50°，精确制作此角度的切槽非常困难，而且因为切槽太浅，试件在加工过程中容易报废。另一种常见的测试方法采用含有中心直切槽的圆盘试件以及对径压缩加载方式。然而，要在圆盘试件中心切割一条薄的直穿透式切槽十分不易，对加工器械的要求很高。此外，若将此圆盘试件用于动态测试中，由于高加载率和惯性效应，不容易直接确定试件起裂时切槽尖端的断裂参数，而且试件与加载装置的接触处容易率先开裂，导致实验失效。

cn105043849a公开了一种用于岩石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。该深梁试件为长方体形，底面设置有一条边切槽。由于工程现场采集的岩石材料多为圆柱形岩芯状，此试件并不便于工程应用。此外，实验采用三点弯曲加载方式，需要制作多组不同切槽倾斜角的试件来实现多种复合度的i-ii复合型加载，由于切槽角度并不统一，试件制备过程较为复杂。而且，该测试方法是在一般力学试验机上完成，并不能实现高加载率条件下的岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试。

综上所述，现有的岩石i-ii复合型断裂韧度测试试件及方法存在以下不足：(1)试件为长方形，不容易由工程现场采集的圆柱形岩芯加工得到；(2)为了实现多种复合度的i-ii复合型加载，需要制作多组不同切槽倾斜角的试件，制备过程较为复杂；(3)大多是在材料实验机上进行中、低加载速率下的实验测定，而关于高加载率条件下的动态测试方法十分缺乏；(4)试件在高加载率条件下受惯性效应影响较大，难以直接确定试件起裂时切槽尖端的断裂参数，而且可能产生次生裂纹，造成实验失效。

技术实现要素：

针对现有岩石i-ii复合型断裂韧度测试试件制备过程复杂，以及没有成熟可行的岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法的技术现状，本发明旨在提供一种用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件及测试方法，以简化岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试试件的制备过程和岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法。

本发明提供的用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件，其特征在于包含带有切槽和加载平台的试件本体以及支撑抵压试件本体的柱状压头，所述试件本体为半圆盘形的板块，所述切槽从半圆盘形试件的直边平面沿半圆盘形试件的轴对称面伸向试件内部，两端贯穿试件两侧的端平面；所述加载平台位于半圆盘形试件圆弧面的中央，台平面平行于试件直边平面；所述压头为两个形状相同的、与半圆盘形试件的直边平面成线接触的直弧柱面压头，测试时两个直弧柱面压头分别位于切槽两侧，且平行于切槽面。

为了更好地实现本发明的目的，可进一步采取以下技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

在上述试件组件的技术方案中，半圆盘形试件本体的厚度b与半径r之比为0.4～1.0。

在上述试件组件的技术方案中，切槽的深度a与半圆盘形试件本体半径r之比为0.2～0.5。

在上述试件组件的技术方案中，切槽的宽度t不超过1mm。

在上述试件组件的技术方案中，加载平台的台平面宽度h与半圆盘形试件本体半径r之比为0.1～0.3。

在上述试件组件的技术方案中，所述柱状压头与半圆盘形试件直边平面相作用的直弧柱面优选为直圆柱面，柱状压头优选为半圆柱体。

在上述试件组件的技术方案中，其中一个柱状压头和试件本体的接触线到半圆盘形试件轴对称面的距离s1与半圆盘形试件本体半径r之比为0.6～0.8，另一个柱状压头和试件本体的接触线到半圆盘形试件轴对称面的距离s2不大于前者的距离，即可以小于前者，也可与前者相等。通过调整s1与s2的比，以满足不同复合度的i-ii复合型加载要求。

在上述试件组件的技术方案中，半圆盘形试件本体的半径r至少为25mm。

采用本发明上述试件组件对岩石i-ii复合型动态断裂韧度进行测试的方法，包括以下步骤：

①将试件组件夹持在霍普金森压杆测试装置的入射杆和透射杆之间，使入射杆的后端面与半圆盘形试件本体的加载平台接触、透射杆的前端面与柱状压头接触，利用霍普金森压杆测试装置的冲击杆对入射杆的前端面(贴有波形整形片)进行撞击，产生的应力波经过波形整形作用后通过入射杆作用于试件上，利用粘贴在入射杆和透射杆表面的应变片采集整个实验过程的入射应变信号、反射应变信号以及透射应变信号；

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(透)射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)和εr(t)分别为入射杆上的应变片记录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记录的透射应变随时间的变化值；

然后按式(ii)、(iii)计算裂纹尖端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)，ki(t)或kii(t)峰前直线段的斜率即为相应的动态加载率ki(t)与kii(t)的最大值即为岩石材料在动态加载率条件下的i-ii复合型断裂韧度。

式(ii)、(iii)中，yi和yii均为无量纲的几何系数，a为切槽的深度，b为半圆盘形试件本体的厚度，r为半圆盘形试件本体的半径，yi与yii可以由工程中常用的有限元数值软件计算得到。

上述测试方法的技术方案中，无量纲几何系数yi和yii的大小与以下因素有关：切槽深度a与试件半径r之比、加载平台的宽度h与试件半径r之比、两柱状压头和试件的接触线到半圆盘试件对轴称面的距离与试件半径r之比。利用有限元数值软件计算无量纲几何系数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，建立与半圆盘试件成任一比例的有限元数值模型，约束住压头与试件接触线上垂直于试件表面的位移，在试件的加载平台施加合力为任意大小p的均布作用力，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)计算得到无量纲几何系数yi和yii，

式(iv)和(v)中，b′、r′和a′为试件的有限元数值模型的几何参数，与试件中b、r和a的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均成同一比例。

上述测试方法的技术方案中，通过改变冲击杆的撞击速度，可得到不同加载率条件下的岩石i-ii复合型动态断裂韧度。

上述测试方法的技术方案中，通过改变切槽的深度或者改变柱状压头到半圆盘试件对称面的不同距离，可以实现不同复合度的i-ii复合型动态断裂韧度测试。

实施上述岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法的霍普金森压杆测试装置，主要包括冲击杆发射装置、冲击杆、气室、设置在入射杆前端面上的波形整形片、入射杆、透射杆、粘贴在入射杆和透射杆上的应变片、数据采集处理系统和吸收杆，所述冲击杆位于气室中，冲击杆发射装置位于气室前端、入射杆的前端与气室的后端对应，入射杆的后端与透射杆的前端相对设置形成夹持试件组件的夹持副，粘贴在入射杆和透射杆表面的应变片与数据采集处理系统连接，透射杆的后端与吸收杆的前端相对设置。

上述霍普金森压杆测试装置中，入射杆和透射杆为钢质实心圆柱形杆，入射杆和透射杆的杆径相等，波形整形片为直径10～20mm、厚度约为2mm的铜质圆形垫片。

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的用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件，该试件由带切槽和加载平台的半圆盘形试件本体以及抵压试件本体的柱状压头组成，试件本体可以由工地现场钻取的圆柱形岩芯经简单切割后得到，在不同荷载复合度的试验中只需制作单一深度的、垂直于半圆盘试件直边平面的切槽。本发明所述试件的结构简单，加工难度低，更容易保证试验精度。

2.本发明提供的用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件还包含两个柱状压头，通过合理地调整两个柱状压头相对于切槽面的位置，可以巧妙地实现不同复合度的i-ii复合型加载，与通过改变切槽倾斜角来改变荷载复合度的传统做法相比，本发明的方法更灵活，即使在试件制备完成后，也能方便地调整、优化预先设计的荷载复合度。

3.本发明还提供了利用上述试件组件进行岩石i-ii复合型动态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霍普金森压杆装置即可实现i-ii复合型动态加载。设置的加载平台有助于应力波从入射杆传播到试样内部，同时削弱了接触处的损伤。半圆盘形试件与圆盘形试件相比更短，更有助于在霍普金森压杆动态试验中使试件两端动态力达到平衡，有效地简化了岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法的操作和数据处理过程，有助于解决工程中对准确和简便的岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法的实际需求，实用性强，有利于推广应用。

4.本发明所述岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法的操作简单，通过改变冲击杆的撞击速度，可以测试宽范围的高加载率条件下的i-ii复合型动态断裂韧度，通过设置两个柱状压头到半圆盘试件对称面的距离相等，可以实现岩石纯i型动态断裂韧度测试，通过合理地设置两个柱状压头到半圆盘试件对称面不相等的距离，可以实现岩石纯ii型动态断裂韧度测试。因此，本发明的试件组件和测试方法具有适用范围广的优势。

附图说明

图1-1是本发明所述试件组件的主视结构示意图；

图1-2是附图1-1中a-a向剖视结构示意图；

图2是本发明所述试件组件的三维示意图；

图3是本发明所述试件组件在霍普金森压杆测试装置上的安装示意图。

图中，1—半圆盘形试件本体、2—切槽、3—加载平台、4—压头、5—冲击杆、6—冲击杆发射装置、7—气室、8—波形整形片、9—入射杆、10—透射杆、11—应变片、12—数据采集处理系统、13—吸收杆、r—半圆盘形试件本体的半径、b—试件本体的厚度、a—切槽的深度、t—切槽的宽度、h—加载平台的宽度、s1和s2—两个柱状压头与试件的接触线分别到半圆盘试件轴对称面的距离。

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i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件及岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试方法作进一步说明。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i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件的结构如图1-1，图1-2和图2所示，该试件由岩石工程现场钻取的花岗岩圆柱形岩芯经金刚石切片机切割制作而成。

用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2和加载平台3的试件本体1以及抵压试件本体的压头4组成，所述试件本体为半圆盘形板块，试件本体的半径r＝25mm、厚度b＝20mm，试件本体上的切槽2从半圆盘试件直边平面沿半圆盘试件轴对称面向试件内部延伸并贯穿试件本体的两个半圆状表面，切槽的深度a＝7.5mm、切槽的宽度t＝0.8mm。试件本体上的加载平台3位于半圆盘形试件圆弧边的中央位置，平台面平行于半圆盘形试件的直边平面并且贯穿试件本体的两侧端平面，平台的宽度h＝5mm。所述压头4为两个半径均为2.5mm、长度均为25mm的钢质半圆柱体，测试时两压头分别与半圆盘形试件的直边平面成线接触，两个接触线均平行于切槽平面，其中一条接触线到半圆盘试件轴对称面的距离s1＝20mm，另一条接触线到半圆盘试件轴对称面的距离s2＝10mm。

实施例2

本实施例中，用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件的结构如图1-1，图1-2和图2所示，该试件由岩石工程现场钻取的砂岩圆柱形岩芯经机床加工制作而成。

用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2和加载平台3的试件本体1以及抵压试件本体的压头4组成，所述试件本体为半圆盘形板块，试件本体的半径r＝37.5mm、厚度b＝30mm，试件本体上的切槽2从半圆盘试件直边平面沿半圆盘试件轴对称面向试件内部延伸并贯穿试件本体的两个半圆状表面，切槽的深度a＝15mm、切槽的宽度t＝1mm。试件本体上的加载平台3位于半圆盘形试件圆弧边的中央位置并且为矩形，平台面平行于半圆盘形试件的直边平面并且贯穿试件本体的两侧端平面，平台的宽度h＝8mm。所述压头4为两个半径均为4mm、长度均为35mm的铸铁质半圆柱体，测试时两压头分别与半圆盘形试件的直边平面成线接触，两个接触线均平行于切槽平面，其中一条接触线到半圆盘试件对称面的距离s1＝30mm，另一条接触线到半圆盘试件对称面的距离s2＝20mm。

实施例3

本实施例中，用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件的结构如图1-1，图1-2和图2所示，该试件由岩石工程现场钻取的大理岩圆柱形岩芯经金刚石切片机加工制作而成。

用于岩石i-ii复合型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2和加载平台3的试件本体1以及抵压试件本体的压头4组成，所述试件本体为半圆盘形板块，试件本体的半径r＝50mm、厚度b＝40mm，试件本体上的切槽2从半圆盘试件直边平面沿半圆盘试件轴对称面向试件内部延伸并贯穿试件本体的两个半圆状表面，切槽的深度a＝15mm、切槽的宽度t＝1mm。试件本体上的加载平台3位于半圆盘形试件圆弧边的中央位置并且为矩形，平台面平行于半圆盘形试件的直边平面并且贯穿试件本体的两侧端平面，平台的宽度h＝10mm。所述压头4为两个半径均为5mm、长度均为45mm的钢质半圆柱体，测试时两压头分别与半圆盘形试件的直边平面成线接触，两个接触线均平行于切槽平面，其中一条接触线到半圆盘试件对称面的距离s1＝40mm，另一条接触线到半圆盘试件对称面的距离s2＝30mm。

实施例4

本实施例中，采用实施例1所述试件组件配合霍普金森压杆测试装置测试岩石i-ii复合型动态断裂韧度。

霍普金森压杆测试装置主要包括冲击杆发射装置6、冲击杆5、气室6、设置在入射杆前端面上的波形整形片8、入射杆9、透射杆10、粘贴在入射杆和透射杆上的应变片11、数据采集处理系统12和吸收杆13，所述冲击杆5位于气室7中，冲击杆发射装置6位于气室前端、入射杆9的前端与气室的后端对应，入射杆9的后端与透射杆10的前端相对设置形成夹持试件组件的夹持副，贴附在入射杆和透射杆中段表面的应变片11与数据采集处理系统12连接，透射杆10的后端与吸收杆13的前端相对设置，所述入射杆9和透射杆10均是杆径为50mm的钢质实心杆，波形整形片8是直径为20mm、厚度为2mm的铜质圆形垫片。

岩石i-ii复合型动态断裂韧度的测试过程如下：

①如图3所示，将试件组件夹持在霍普金森压杆测试装置的入射杆9和透射杆10之间，使入射杆的后端面与半圆盘形试件本体1的加载平台3接触、透射杆的前端面与柱状压头4接触，启动冲击杆发射装置6的触发机构使冲击杆5对入射杆的前端面(贴有波形整形片8)进行撞击，产生的应力波经过波形整形作用后通过入射杆作用于试件上，通过设置在入射杆和透射杆上的应变片11采集整个实验过程的入射应变信号、反射应变信号以及透射应变信号并传输至数据采集处理系统12中。

本实施例中，具体测试s1/r＝0.8，s2/r＝0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.09时的岩石动态断裂韧度，即步骤①在进行实验时共需要8块结构如实施例1所述的试件，只是各试件组件中某个柱状压头与试件的接触线到半圆盘试件对称面的距离不相等，由此实现不同的i-ii复合型加载。当s2/r＝0.8时，实验成为纯i型动态断裂韧度测试；当s2/r＝0.09时，实验成为纯ii型动态断裂韧度测试；当s2/r＝0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2时，实验为不同荷载复合度的i-ii复合型动态断裂韧度测试。

②采用有限元数值软件计算s1/r＝0.8，s2/r＝0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.09时的无量纲几何系数yi和yii

利用有限元数值软件计算无量纲几何系数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，建立与半圆盘试件成任一比例的有限元数值模型，约束住压头与试件接触线上垂直于试件表面的位移，在试件的加载平台施加合力为任意大小p的均布作用力，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)计算得到无量纲几何系数yi和yii，

式(iv)和(v)中，b′、r′和a′为试件的有限元数值模型的几何参数，与试件中b、r和a的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均成同一比例。

根据计算结果得到yi和yii的取值如下：

yi＝-0.904+10.747(s2/r)-6.837(s2/r)²+1.661(s2/r)³(vi)

yii＝2.386-9.243(s2/r)+13.181(s2/r)²-6.685(s2/r)³(vii)

③将入射杆、透射杆的弹性模量和横截面积，以及步骤①记录的εi(t)、εr(t)、εt(t)值代入式(i)，可以得到荷载随时间的变化值p(t)。

将计算得到的p(t)，试件的几何参数a、b和r，以及式(vi)、(vii)中yi和yii的值代入式(ii)、(iii)中，可计算出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)，ki(t)或kii(t)峰前直线段的斜率即为相应的动态加载率ki(t)与kii(t)的最大值即为岩石材料在加载率条件下的i-ii复合型动态断裂韧度。