一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法与流程

本发明涉及一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法。

背景技术：

众所周知，断裂是岩石材料发生破坏的最根本影响因素。工程岩石材料最显著的特点就是其存在各种尺度的天然裂隙，所以在很多情况下，工程边坡的失稳、硬质岩体洞室的破坏往往是从局部裂隙复合型断裂开始的。关于岩石复合型断裂强度及特性的研究成果已经日趋成熟，但岩石发生复合型断裂破坏时能量传递和分布却研究的比较少，特别是关于岩石发生复合型断裂峰值荷载点处弹性变形能的计算还没有可行的方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，其目的在于，克服现有技术中无法在复合型断裂试验前提前获知岩石材料峰值荷载点，从而无法获得岩石材料复合型断裂峰值荷载点处的弹性变形能的问题。

一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点点处弹性变形能的方法，包括以下步骤：

首先，根据常规静载复合型断裂试验中峰值荷载平均值fmax设置5个不同的卸载点，将5个相同的中心直裂纹圆盘试样分别进行一次加卸载复合型断裂试验，获得5个中心直裂纹圆盘试样的一次加卸载复合型断裂试验的荷载-位移曲线；

其次，根据得到的中心直裂纹圆盘试样的一次加卸载复合型断裂试验的荷载-位移曲线，求得中心直裂纹圆盘试样在各卸载点处的总输入能和储存的弹性变形能的值，i表示加卸载试验次数；

接着，对5组总输入能和储存的弹性变形能的值进行拟合，得到各卸载点处和的值得到两者之间的一次线性函数关系式：其中，a、b为常数；

然后，基于一次线性函数关系式把岩石材料峰值荷载点处的总输入能代入上述函数关系式，计算出岩石材料在峰值荷载点处的弹性变形能

进一步地，所述将5个相同的中心直裂纹圆盘试样分别在所述的5个不同卸载点处进行一次加卸载复合型断裂试验，是指取5个相同规格的中心直裂纹圆盘试样分别进行一次加卸载复合型断裂试验，试验机先以2kn/min的加载速率对中心直裂纹圆盘试样进行加载，当达到设置的卸载点时进行卸载，设置的卸载点分别为0.1fmax、0.3fmax、0.5fmax、0.7fmax、0.9fmax；当卸载至0.02kn时，再以0.1mm/min加载速率加载至试样破坏，分别获得5个不同卸载点岩石试样的一次加卸载复合型断裂的荷载-位移曲线；

进行加卸载试验前，设定直切槽和加载方向之间的预设角度，范围为0°～20°(当设定角度确定后进行一系列加卸载断裂试验，所得荷载-位移曲线为该设定角度下的试验曲线，所得峰值荷载也仅为该设定角度下的峰值荷载，利用本专利最后求得该设定角度下峰值荷载点处的弹性变形能)，然后将加工好的中心直裂纹圆盘试样置于复合型断裂试验的加载装置中，进行预加载使得中心直裂纹圆盘试样与加载装置的顶、底部圆柱形加载垫条紧密接触，且顶、底圆柱形加载垫条的连线与预制裂纹的夹角和预设角度相同，顶部圆柱形加载垫条的轴心线与试样切口方向线处于同一竖直平面内；

其中，卸载时的控制方式、卸载速率和加载时保持一致。

进一步地，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为一次加卸载复合型断裂试验的荷载-位移曲线中初次加载线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载线中卸载点到峰值荷载点前的曲线与横坐标轴所围成的面积的值之和；

其中，所述二次加载线是指在初次加卸载操作的基础上，当卸载至0.02kn时，再以0.1mm/min加载速率加载至试样破坏，得到岩石试样二次加载的荷载-位移曲线。

进一步地，所述岩石材料峰值荷载点处的总输入能，为岩石试样常规静载复合型断裂试验的荷载-位移曲线中加载曲线在横坐标上的积分。

进一步地，所述中心直裂纹圆盘试样是对需要试验的工程岩体进行取芯并将其切割打磨成直径为d，厚度为b，且满足的中心直裂纹圆盘试样；

其中，d的取值范围为46-50mm，b＝0.5d，a、r分别为中心直裂纹圆盘试样的切口长度和半径。

进一步地，利用试验机以2kn/min的加载速率对3个相同中心直裂纹圆盘试样进行加载至中心直裂纹圆盘试样破坏，获得3个中心直裂纹圆盘试样的常规静载复合型断裂试验的荷载-位移曲线，从荷载-位移曲线提取断裂峰值荷载，以3个中心直裂纹圆盘试样的断裂峰值荷载的平均值作为所述断裂峰值荷载值fmax。

进一步地所述的荷载-位移曲线中的位移为纵向位移，其方向与所受荷载的方向一致。

有益效果

本发明提供了一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，该方法依据岩石材料常规静载复合型断裂试验的峰值荷载值设置不同的卸载点，根据不同的卸载点分别进行岩石材料的一次加卸载复合型断裂试验，在试验中发现各卸载点处的总输入能和弹性变形能存在线性关系：利用岩石材料峰值荷载点处的总输入能并结合与的关系式，获得岩石材料复合型断裂峰值荷载点处的弹性变形能。该方法对复合型断裂试验岩石材料峰值荷载点处的弹性变形能进行了定量计算，为获得岩石材料峰值荷载点处的弹性变形能提供了一种新方法。

附图说明

图1为岩石复合型断裂试验中加载装置示意图；

图2中心直裂纹圆盘岩石试样尺寸示意图；

图3为岩石试样的常规静载复合型断裂试验的荷载-位移曲线示意图；

图4为岩石试样的一次加卸载复合型断裂试验的荷载-位移曲线示意图及卸载点处的总输入能和弹性变形能示意图；

标号说明：1-加载端；2-下垫块；3-顶部圆柱形加载垫条；4-中心直裂纹圆盘岩石试样岩石试样；5-底部圆柱形加载垫条。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

一种在复合型断裂试验中测定岩石材料峰值荷载点处弹性变形能的方法，利用高频疲劳试验机(mtsinsight)对岩石试样进行常规静载加载和一次加卸载复合型断裂试验。其具体实施过程为：

(1)选取需要试验的岩石材料，利用岩石取芯机、岩石切割机和磨石机、水刀等将选取的岩石材料加工成直径为(48±2)mm，厚度为25mm，切口长度为25mm的中心直裂纹圆盘岩石试样岩石试样，使得岩石试样的端面平整，且垂直度满足试验要求。

(2)从制备的岩石试样中选取3个岩样，分别在高频疲劳试验机(mtsinsight)上进行常规静载复合型断裂试验。加载速率为2kn/min，图1为试验中用到的复合型断裂试验装置及岩石试样安放示意图。通过试验获得岩石试样的常规静载下复合型断裂的荷载-位移曲线，如图2所示。得到岩样的3个断裂峰值荷载值，取其平均值作为岩石试样的峰值荷载fmax。

(3)另取至少5个岩石试样，根据岩石试样常规静载下的断裂峰值荷载fmax，设置5个卸载点，分别记为0.1fmax、0.3fmax、0.5fmax、0.7fmax、0.9fmax。分别进行一次加卸载复合型断裂试验，以2kn/min的加载速率将试样加载到对应的卸载荷载值，然后以2kn/min的卸载速率将应力值卸载至0.02kn，然后再以0.1mm/min加载速率加载至试样破坏。

(4)如图3所示，分别对不同卸载点的荷载-位移曲线中的初次加载曲线、卸载曲线与横坐标之间的面积进行积分，得到5组岩石试样卸载点处的总输入能和弹性变形能的值。通过拟合和的值得到函数关系式：

(5)如图2所示，分别对3个岩石试样的常规静载复合型断裂试验的荷载-位移曲线中加载曲线与横坐标之间的面积进行积分，得到3个岩石试样在峰值荷载点处的总输入能，代入所述(4)中与的函数关系式，分别计算出3个岩石试样断裂峰值荷载点处的弹性变形能；

(6)如图3所示，分别在5个岩石试样的一次加卸载复合型断裂试验的荷载-位移曲线中，对初次加载线与横坐标轴所围成的面积、二次加载线中卸载点到峰值荷载前的曲线与横坐标轴所围成的面积分别积分之后求和，计算出5个岩石试样断裂峰值荷载点处的弹性变形能；

(7)取所述(5)中3个岩石试样断裂峰值荷载点处的弹性变形能和所述(6)中5个岩石试样断裂峰值荷载点处的弹性变形能的平均值作为所测岩石试样在峰值荷载点处储存的弹性变形能的值

实施例1：

以直切槽和加载方向之间角度为10°的红砂岩中心直裂纹圆盘试样为例，对岩石材料复合型断裂在峰值荷载点处弹性变形能的计算方法作进一步说明，进行以下操作：

step1：将工程现场取回的岩块加工成直径为50mm，长度为25mm的圆柱形岩石试样，切口长度为25mm的中心直裂纹圆盘岩石试样，使得岩石试样的端面平整，且垂直度满足试验要求。岩石试样的常规静载复合型断裂试验在mts-insight试验机进行，试验机控制方式为位移控制，加载速率为0.01mm/min，分别进行3次试验，得到中心直裂纹圆盘岩石试样复合型断裂峰值荷载均值为fmax＝4.876kn。

step2：利用step1中获得的常规静载的断裂值fmax，设置5个卸载应力水平(0.487kn、1.463kn、2.438kn、3.413kn、4.388kn)，如表1所示。

step3：对5个岩石试样分别进行一次加卸载试验，以2kn/min的加载速率将试样加载到对应的卸载荷载值，然后以2kn/min的卸载速率卸载至0.02kn，再以0.1mm/min的加载速率加载至岩石试样破坏，得到岩石断裂的载荷-位移曲线。

表1计算结果

step4：根据step1中获取的常规静载复合型断裂试验的载荷-位移曲线，分别对加载曲线与横坐标之间的面积进行积分，得到3个岩石试样在峰值荷载点处的总输入能。计算结果如表1所示。

step5：根据step3中获取的一次加卸载试验的载荷-位移曲线，分别对初次加载线、卸载线与横坐标轴围成的面积进行积分计算，得到岩石试样在不同卸载点处的总输入能和弹性变形能的值；对step3中荷载-位移曲线中初次加载线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载线中卸载点到峰值荷载前的曲线与横坐标轴所围成的面积的值分别进行积分计算并求和，分别得到5个岩石试样在峰值荷载点处的总输入能值。计算结果如表1所示。

step6：对岩石试样在不同卸载点处的总输入能和弹性变形能之间的关系进行拟合，两者之间存在线性函数关系，函数关系式为：将step4和5中得到的岩石试样在峰值荷载点处的总输入能代入函数关系式，得到岩石试样在峰值荷载点处的弹性变形能，表1列出了岩石试样在峰值荷载点处的弹性变形能计算结果，对计算结果取平均值得到岩石材料在峰值荷载点处的弹性变形能值为522.108mj。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。