基于NDB试样的非对称三点弯曲加载测试岩石复合断裂韧度的方法与流程

本发明属于岩石断裂韧度测试领域，特别涉及一种岩石复合断裂韧度测试方法。

技术背景

岩石断裂力学是岩石力学学科中一门重要的分支学科，岩石断裂韧度表征了岩石材料抵抗裂纹起裂和扩展的能力，是利用断裂力学解决岩石工程问题的核心参数，合理地确定岩石断裂韧度是目前岩石断裂力学主要研究工作之一。

国际岩石力学学会(isrm)先后建议了4种试件以及相应的测试方法来进行岩石i型静态断裂韧度测试，包括：紧凑拉伸加载下的人字形切槽短圆棒(sr)试样(1977年)、人字形切槽三点弯曲圆棒(cb)试样(1988年)、径向加载的人字形切槽巴西圆盘(ccnbd)试样(1995年)和对称三点弯曲加载下的穿透直切槽半圆盘弯曲(scb)试样(2014年)，这4种试件均是在钻取的岩芯基础上进一步加工获得。sr试件起始裂纹长度与临界裂纹长度的距离较长，导致经过非线性修正时的临界载荷接近最大载荷。与之相反，cb试件起始裂纹长度与临界裂纹长度的距离较短，非线性修正的临界载荷偏低。且sr试件加载载荷后裂纹扩展呈折线行进，明显偏离中线。此外，sr和cb试样还有制取困难、实验设备及加载系统复杂等问题。ccnbd试件构型复杂，不易制取，不能进行简化平面分析，使得试件最小无量纲应力强度因子ymin必须通过三维数值计算方可标定。对于scb试样，若从一个完整圆盘切割制作两个试件，会损失掉部分材料成为两个非标准半圆盘，测试结果需要理论修正；若加工成标准scb试样，则一个圆盘只能加工一个试件，浪费岩石材料。此外，美国材料与试验协会(astm)也提供了单边切槽梁(senb)三点弯曲试验(2001年)，圆盘紧凑拉伸(dct)试验(1986年)等多种构形试件和测试方法进行材料断裂韧度测试。

上述isrm和astm建议的测试方法多用于i型断裂韧度测试，然而在实际岩石工程中，岩石裂缝承受着i型、ii型和i/ii复合型载荷等多种载荷形式。为了准确预测岩石裂缝扩展，必须准确测量岩石复合断裂韧度。senb试件通过非对称三点弯曲加载/四点弯曲加载即可实现i/ii复合断裂测试，但其长度很大，导致断裂载荷小，因此传统的senb试件更适合金属类材料进行断裂韧度测试，对岩石和混凝土等脆性材料而言不是最佳选择。cb试样与senb试样存在类似问题。ccnbd和scb试件虽然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型的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。中心直裂纹巴西圆盘(cstbd)试样和中心直裂纹平台巴西圆盘(cstfbd)试样构型简单，实现纯i型、纯ii型及i/ii复合型的断裂韧度测试只需要通过改变加载方向与中心裂纹的夹角。然而，已有研究指出，圆盘类试样在开展大尺寸试样断裂韧度测试时加工困难。中国专利zl201510397736.1提出的单边切槽深梁试件(ndb)采用倾斜裂纹与对称加载实现利用简单的试件构型、方便的i/ii复合断裂韧度测试加载，但在复合断裂韧度及ii型断裂韧度测试时需要倾斜裂缝，大倾角裂纹预制存在难度。而倾角的细微误差，带来的测试结果误差很大。因此该方法对实验操作和试件加工精度要求较高，并且测试结果准确度难以控制和保障。

如前所述，加工大尺寸sr、cb、ccnbd和scb等试样困难极为突出；相比较而言，像senb、ndb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，更具操作性。但是，为了实现复合加载，传统senb、ndb等构型的试样需要采用复杂的加载或者预制倾斜裂缝，这对试样加工水平和加载装置要求都较高。因此，研究构形简单、易加工且加载容易的新型岩石复合断裂韧度测试技术具有重要的实践价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有岩石复合断裂韧度测试技术的不足，提出一种基于ndb试样的非对称三点弯曲加载测试岩石复合断裂韧度的方法，利用非倾斜(垂向)裂缝ndb试样实现纯i型、纯ii型以及整个i/ii复合区间加载的断裂韧度测试，避免了倾斜裂纹预制要求精度高以及大倾角裂纹预制难度大的难题，测试准确性易于控制和保障。

本发明所述方法，使用ndb试样，所述ndb试样本体为长方体，本体中设置有由本体下端面的中线位置开口并与厚度b方向平行的垂向切槽，所述切槽贯穿厚度b方向的前后端面，试件本体长度l为试件本体宽度w的2倍，试件厚度b不小于0.8w，切槽的深度为a，且0.3w≤a≤0.7w；

本发明利用非对称三点弯曲加载进行岩石纯i型、纯ii型及i-ii复合断裂韧度测试，三点弯曲左支座与切槽中心面间距为s1，右支座与切槽中心面间距为s2，且s2≤s1；在0.3≤a/w≤0.7范围内选定切槽长度a，并在0.4≤s1/w≤0.9范围内确定左支座与中心线间距s1，调节右支座与中心线间距与试件宽度比s2/w取值从s1/w开始逐步减小，直到获得纯ii型对应的s2为止，以此获得不同载荷复合度；利用有限元数值软件abaqus/ansys等全面标定非对称加载下所述试件裂纹尖端的无量纲应力强度因子yi、yii和无量纲化非奇异应力t*，并获得纯ii型加载对应的s2，再通过三点弯曲夹具刻度尺调节右支座间距s2，调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％，且同组实验中均应使用相同的左支座间距s1。

进一步地，本发明所述岩石断裂韧度测试前，利用有限元数值软件abaqus/ansys等全面标定非对称加载下所述试件裂纹尖端的无量纲应力强度因子yi、yii和无量纲化非奇异应力t*，并获得纯ii型加载对应的s2，具体步骤如下：

(1)建立对应的数值标定模型。利用有限元数值计算软件，建立试件本体的二维几何模型，假设岩石材料为线弹性材料并赋予试件弹性参数，之后划分网格(设置为平面应变单元)，并在左支座处约束节点(该节点是二维几何模型中，左支座与试样的接触点)竖向和水平位移，右支座处约束竖向位移，上压头加载点施加参考节点载荷p(竖向)。在荷载p作用下，所述试件i型和ii型应力强度因子ki，kii和非奇异t应力可表示为：

根据(1)-(3)式反推出无量纲应力强度因子yi、yii和无量纲非奇异应力t*如下所示：

(2)基于步骤(1)所述数值模型，计算中采用“二分法”不断缩小s2取值。当计算得到的载荷复合度m^e在1附近，误差不超过10^-4的量级，可以近似认为达到了纯ii型断裂，即可获得实现纯ii型加载的支座间距，计算得到的结果见表1。其中，载荷复合度由下式给出：

表1不同a/w、不同s1/w所述试件实现纯ii型断裂时s2/w的大小

(3)基于(1)所述数值模型建立方法及(2)所述获得的右支座间距，确定测试所需的切槽长度a和左支座间距s1，右支座间距从s1按照设置的步距逐步减小至表1确定的临界s2，逐一计算无量纲应力强度因子yi和yii以及无量纲非奇异应力t*。进一步地，本发明所述方法还包括以下步骤：

(4)在试件本体厚度方向的前端面画三条竖直方向的辅助线，其中一条辅助线位于试件本体前端面的中心线上，另外两条辅助线分布在两侧，相邻两条辅助线间的间距等于左右支座与中心线间距s1和s2。

(5)借助直尺和试件本体前端面上的辅助线，将试件安装试验台上，使试件本体前端面上的三条辅助线，中间的一条辅助线对准载荷加载压头，两侧的辅助线对准支座支点。

(6)调整试验机使其加载压头与试件有轻微接触，对试件安放位置进行最后检查，确认无误后安装lvdt位移传感器。

(7)使用lvdt位移传感器控制加载，操作岩石力学试验机对试件加载，直至试件破坏完全失去承载能力。

(8)根据实验中的峰值载荷和i/ii型无量纲应力强度因子yi/yii按以下公式即可计算岩石复合断裂韧度：

进一步地，操作岩石力学试验机对试件加载的速率最好低于0.2mm/min，以避免试验可能会出现的任何动态效应。

进一步地，所述载荷加载压头(3)为圆棒结构加载压头，所述支座(4)、(5)为圆棒结构支座，上圆棒压头周线与切槽中心面平行。

进一步地，试件本体任意相邻两个面的夹角为90°±0.5°；试件本体一个方向任意两个位置的断面尺寸偏差不超过0.1mm。

进一步地，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。

进一步地，试件本体的长度l控制为本体宽度w的2倍，误差不超过0.04w。

进一步地，厚度b不小于本体宽度w的0.8倍，且不小于30mm；所述切槽宽度b小于1mm。

本发明所述用于岩石纯i型、纯ii型以及i-ii复合断裂测试的试件的制作方法如下：

(1)切割试样。将从工程现场或野外采集的岩块用岩石切割机进行初步切割，加工成比所需尺寸(长、宽、高)至少大10mm的试件本体。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。

(2)打磨试样。使用磨床将初加工后的试件一面磨平，接着使用已磨平的面作基准面打磨与之垂直的四个面，最后打磨与基准面平行的面至所需厚度。使用磨床打磨时，每次进刀量宜小于1mm。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0.1mm。

(3)预制裂缝。在试样底部中间位置推荐使用厚度小于0.3-0.5mm的金刚石刀片或很细的线锯，直接加工至所需裂缝长度。切割形成长度为a的裂缝，且裂缝与下端面垂直。切槽预制过程中，每次进刀量宜小于a/10。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述方法利用非对称加载下的垂直切槽ndb试样开展岩石复合断裂韧度测试的，丰富了岩石断裂韧度测试技术体系。

2、本发明所用ndb试件结构简单，易于利用岩块进行切割加工，避免在尺寸有限的岩块上钻芯，加工方便，对原材料外形要求低，并且无需采用复杂的加载或者预制倾斜裂缝就可实现复合加载，对试样加工水平和加载装置要求不高。因此，本发明方法是一种试件构形简单、易加工制作且加载容易的新型岩石复合断裂韧度测试技术。

3、相比zl201510397736.1的方案，本发明所述试件和测试方法仅在试件垂向切槽情况下，通过调整左右支座与中心线间的间距s1、s2和裂缝长度a，便可实现纯i型、纯ii型以及整个复合断裂区间的i/ii复合断裂韧度测试。构件的垂向切槽极大的简化了试件加工难度，利用普通切割机即可完成试件加工，避免了切割倾斜裂缝的加工难度，特别是克服了倾斜夹角β，尤其是β>60°时试件加工困难的缺点，同时解决因试件β倾斜的加工误差带来测试结果误差大的问题，且加载方法简单，易于实现。

5、相比zl201510397736.1的方案和传统的senb试件，本发明所述试件和测试方法，使用支座间距更小，使得裂缝尖端应力集中程度更小，破坏载荷更大，试验结果可靠性更高。

6、与传统的senb试样比较，本发明可避免senb试件的两大缺陷，即非对称三点弯曲加载需要通过移动裂纹位置实现i/ii复合断裂测试，无法实现纯ii型加载；四点弯曲实验实现纯ii型加载的程序相对困难。

7、本发明所用试件长度l与宽度w比值为2.0±0.04，试件的厚度满足b≥0.8w，在试验条件允许的情况下不设上限，而传统senb试件厚度b与试件长度l比值的上限为2/9。因此，本发明所述的试件相比传统的senb试件要短而厚，更加复合岩石断裂韧度测试要求的平面应变条件。

8、本发明所述试件的三点弯曲试验过程中还可方便地配合声发射以及非接触应变测试系统dic进行裂缝扩展过程的追踪以及裂缝前沿岩石变形测量。

9、本发明所述还可用于其他脆性和准脆性材料(例如：混凝土、pmma、陶瓷和玻璃等)的平面应变断裂韧度测试。

附图说明

图1是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件结构示意图；

图2是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件的主视图；

图3是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件的侧视图；

图4是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件的俯视图；

图5是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在岩石力学试验机的试验台上的安装示意图和加载图。

图6是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.3时i型无量纲应力强度因子yi数值计算结果；

图7是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.3时ii型无量纲应力强度因子yii数值计算结果；

图8是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.3时t*数值计算结果；

图9是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.5时i型无量纲应力强度因子yi数值计算结果；

图10是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.5时ii型无量纲应力强度因子yii数值计算结果；

图11是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.5时t*数值计算结果；

图12是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.7时i型无量纲应力强度因子yi数值计算结果；

图13是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.7时ii型无量纲应力强度因子yii数值计算结果；

图14是本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件在裂缝长度a与试件宽度w比值为0.7时t*数值计算结果。

具体实施方法

下面通过实施例对本发明所述用于岩石断裂韧度测试的试件及岩石断裂韧度测试方法作进一步说明。

下述各实施例中，岩石断裂韧度测试所用试验设备为微机万能材料试验机(使用mts815岩石力学试验机也可)，使用设备自带的三点弯曲夹具；在试验程序中对除荷载外的位移等参数进行清零操作后即开始试验，试验过程中主要采集了时间t、载荷p、机器位移和lvdt位移。加载试验共4组，每组四次，实验数据取平均值。

下述各实施例中，采用试件长l＝200mm、宽w＝100mm、厚b＝80mm，裂纹长度a＝50mm，左支座与中心线间距s1＝60mm，裂纹正上方载荷p＝10kn。基于abaqus数值模拟，根据公式对无量纲应力强度因子进行标定，结果如下：

表2a/w＝0.5，s1/w＝0.6数值标定结果

实施例1

本实施例所述用于岩石断裂韧度测试的深梁试件，见图1～4，试验材料为砂岩，所述试件本体1为长方体形，本体上设置有沿本体下端面厚度b方向中心线口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度方向前后端面的切槽2，试件长度l为200mm，宽度w为100mm，厚度b为80mm；切槽长度a为50mm(a/w比值为0.5)，裂缝倾角β为90°。用上述试件进行岩石断裂测试操作如下：

1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节左支座与中心线间距s1和右支座与中心线间距s2，使得s1为60mm，s2为6.5mm，调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％；

2)在试件前端面画三条竖直方向的辅助线，其中一条辅助线位于试件前端面的中心线上，另外两条辅助线分布在两侧，左右两条辅助线与中心线的间距分别为60mm和6.5mm；

3)辅助线画好后，借助宽度为12mm的直尺将试件平推至理想位置，并通过辅助线校准夹具的两根支座圆棒(4)、(5)以及加载端圆棒(3)的中心，避免试件歪斜造成过大测试误差，将试件安放好；

4)手动控制试验机进行微小位移的调整，通过遥控器先较为快速地将顶部加力装置调节移动到试件上方然后将速度调低，以使上端压头与试件有轻微接触；将lvdt位移传感器移到所需位置并安装好；

5)使用lvdt位移传感器控制加载，加载速率0.05mm/min，操作岩石力学试验机开始试验，采集到的峰值载荷pcr为17.0kn。

由表2得i型无量纲应力强度因子yi＝0.00217，ii型无量纲应力强度因子yii＝-0.487025，可知夹角β为90°、s1为60mm，s2为6.5mm时为纯ii型断裂，因此，根据测试中记录的峰值载荷pcr以及yii计算得到的砂岩ii型断裂韧度为：

实施例2

本实施例所述用于岩石断裂韧度测试的深梁试件，见图1～4，试验材料为砂岩，所述试件本体1为长方体形，本体上设置有沿本体下端面厚度b方向中心线口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度方向前后端面的切槽2，试件长度l为200mm，宽度w为100mm，厚度b为80mm；切槽长度a为50mm(a/w比值为0.5)，裂缝倾角β为90°。用上述试件进行岩石断裂测试操作如下：

1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节左支座与中心线间距s1和右支座与中心线间距s2，使得s1为60mm，s2为20mm，调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％；

2)在试件前端面画三条竖直方向的辅助线，其中一条辅助线位于试件前端面的中心线上，另外两条辅助线分布在两侧，左右两条辅助线与中心线的间距分别为60mm和20mm；

3)辅助线画好后，借助宽度为12mm的直尺将试件平推至理想位置，并通过辅助线校准夹具的两根支座圆棒(4)、(5)以及加载端圆棒(3)的中心，避免试件歪斜造成过大测试误差，将试件安放好；

4)手动控制试验机进行微小位移的调整，通过遥控器先较为快速地将顶部加力装置调节移动到试件上方然后将速度调低，以使上端压头与试件有轻微接触；将lvdt位移传感器移到所需位置并安装好；

5)使用lvdt位移传感器控制加载，加载速率0.05mm/min，操作岩石力学试验机开始试验，采集到的峰值载荷pcr为23.5kn。

由表2得i型无量纲应力强度因子yi＝0.52048，ii型无量纲应力强度因子yii＝-0.287631，可知夹角β为90°、s1为60mm，s2为20mm，时为i-ii复合型断裂。因此，根据测试中记录的峰值载荷pcr以及yi、yii计算得到的砂岩i-ii复合型断裂韧度为：

实施例3

本实施例所述用于岩石断裂韧度测试的深梁试件，见图1～4，试验材料为砂岩，所述试件本体1为长方体形，本体上设置有沿本体下端面厚度b方向中心线口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度方向前后端面的切槽2，试件长度l为200mm，宽度w为100mm，厚度b为80mm；切槽长度a为50mm(a/w比值为0.5)，裂缝倾角β为90°。用上述试件进行岩石断裂测试操作如下：

1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节左支座与中心线间距s1和右支座与中心线间距s2，使得s1为60mm，s2为40mm，调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％；

2)在试件前端面画三条竖直方向的辅助线，其中一条辅助线位于试件前端面的中心线上，另外两条辅助线分布在两侧，左右两条辅助线到中心线的间距分别为60mm和40mm；

3)辅助线画好后，借助宽度为12mm的直尺将试件平推至理想位置，并通过辅助线校准夹具的两根支座圆棒(4)、(5)以及加载端圆棒(3)的中心，避免试件歪斜造成过大测试误差，将试件安放好；

4)手动控制试验机进行微小位移的调整，通过遥控器先较为快速地将顶部加力装置调节移动到试件上方然后将速度调低，以使上端压头与试件有轻微接触；将lvdt位移传感器移到所需位置并安装好；

5)使用lvdt位移传感器控制加载，加载速率0.05mm/min，操作岩石力学试验机开始试验，采集到的峰值载荷pcr为14.0kn。

由表2得i型无量纲应力强度因子yi＝1.031894，ii型无量纲应力强度因子yii＝-0.100698，可知夹角β为90°、s1为60mm，s2为40mm，时为i-ii复合型断裂，因此，根据测试中记录的峰值载荷pcr以及yii计算得到的砂岩i-ii复合型断裂韧度为：

实施例4

本实施例所述用于岩石断裂韧度测试的深梁试件，见图1～4，试验材料为砂岩，所述试件本体1为长方体形，本体上设置有沿本体下端面厚度b方向中心线口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度方向前后端面的切槽2，试件长度l为200mm，宽度w为100mm，厚度b为80mm；切槽长度a为50mm(a/w比值为0.5)，裂缝倾角β为90°。用上述试件进行岩石断裂测试操作如下：

1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节左支座与中心线间距s1和右支座与中心线间距s2，使得s1为60mm，s2为60mm，调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％；

2)在试件前端面画三条竖直方向的辅助线，其中一条辅助线位于试件前端面的中心线上，另外两条辅助线对称分布在两侧，相邻两条辅助线间的间距为60mm；

3)辅助线画好后，借助宽度为12mm的直尺将试件平推至理想位置，并通过辅助线校准夹具的两根支座圆棒(4)、(5)以及加载端圆棒(3)的中心，避免试件歪斜造成过大测试误差，将试件安放好；

4)手动控制试验机进行微小位移的调整，通过遥控器先较为快速地将顶部加力装置调节移动到试件上方然后将速度调低，以使上端压头与试件有轻微接触；将lvdt位移传感器移到所需位置并安装好；

5)使用lvdt位移传感器控制加载，加载速率0.05mm/min，操作岩石力学试验机开始试验，采集到的峰值载荷pcr为10.5kn。

由表2得i型无量纲应力强度因子yi＝1.372582，ii型无量纲应力强度因子yii＝0，可知夹角β为90°、s1为60mm，s2为60mm，时为纯i型断裂，因此，根据测试中记录的峰值载荷pcr以及yi计算得到的砂岩i型断裂韧度为：