[发明专利]一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法

说明书

本发明公开了一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法，包括以下步骤：步骤（1）、制备岩板，端面处理，绘制导电栅；步骤（2）、装置夹持岩板，预加载计算的拉力及轴向力；步骤（3）、岩板静置一段时间，施加外载拉力，直至岩板产生I型断裂缝，完成实验外力加载部分；步骤（4）、采集数据；步骤（5）、处理分析数据并绘制曲线。本发明具有以下优点：本发明的诱导本征尖锐裂缝的断裂韧性测试方法简单易懂、操作便捷、测试结果准确，能够有效记录测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据，为设计研究岩石断裂韧性提供了方法基础。

技术领域

本发明属于油气钻探工程技术领域，尤其涉及一种能够诱导本征尖锐裂缝的双悬臂梁断裂韧性测试方法。

背景技术

岩石材料本身性质对理解岩石碎片化过程是十分重要的，如对岩体的钻孔、爆破、隧道掘进、切割和破碎等岩石力学设计问题上都需要考虑岩石材料特性。断裂力学主要研究岩石材料的特性，因此对实际岩石工程设计作出了重要贡献。近几年来，许多专家学者通过理论分析和实验测试方法讨论岩石断裂韧性的相关问题。断裂力学是一种工程学科，其目的是为了定量描述由一个裂缝引发的完整材料结构破裂过程。断裂力学中将最大允许应力与裂缝的尺寸和位置相关联，甚至可以预测裂缝增长到临界尺寸的速度，环境或变化的负载(疲劳)的影响。并且还可以确定裂缝快速扩展和停止移动裂缝的条件。

岩石的断裂特性可用于预防和预测金属、塑料、陶瓷等人造材料结构潜在的灾难性失效或破坏，其对混凝土、岩石等材料开裂的应用也逐渐受到重视。历史上，断裂力学是材料力学强度的发展，其中结构中的应力与某些材料强度值进行比较，以确定是否发生故障。断裂力学中的基本材料参数称为断裂韧性。

由于断裂力学具体描述了裂纹的影响，并且断裂韧性的测试实验与普通强度测试实验不同，所以有必要对断裂韧性实验提出具体的、明确的实验样品和实验方法。

具体来说，I型裂缝为张拉缝，II型裂缝为剪切缝。I型裂缝为断裂力学中三种裂缝中最基本也是最重要的一种，它代表着材料抗击张拉裂缝扩展的能力，同时表征了材料张拉裂缝扩展时与能量消耗量大小正相关的一个指数。I型断裂韧性的值一旦确定，同时就可以确定I型裂缝扩展单位长度所需要消耗的能量，同时能够确定I型裂缝近缝尖的全场位移、全场应变以及断裂力学中极为重要的J积分的大小(Rice)。I型断裂韧性对岩石的张性断裂有着决定性作用，在浅地层水力压裂、近井筒井壁失稳中有着重要意义。同时，在隧道挖掘过程，I型断裂韧性值都决定着整体结构的稳定与否。

II型断裂韧性的测试方法参考《国际岩石力学学会推荐方法》中的《国际岩石力学学会II型断裂韧性测试推荐方法》(ISRM Suggested Method for the Determination ofMode II Fracture Toughness)。基本方法基于圆柱形岩心，在圆柱形岩心的上下端面铣出环形窄切槽，置于压机上进行剪切破坏测试。剪切通过上下加载位置的不同实现。具体加载方式为上端加载内圆柱，下端加载外圆环，但是其不适用于I型裂缝。

申请号为200510007695的中国发明专利公开了一种计算岩石II型断裂韧性的方法,包括下列步骤:1)测试岩石的II型断裂韧性；2)测试岩石的抗压强度；3)建立岩石II型断裂韧性计算模型；4)利用步骤3)中的计算模型获得岩石II型断裂韧性。该发明中获取了准确的岩石II型断裂韧性后,可很大程度的提高各种水力压裂模型的预测精度。可预测水力压裂裂缝从开始起裂、裂缝扩展过程中在地层空间的弯曲几何形态,从而可计算出裂缝宽度分布和裂缝面摩阻大小,为压裂支撑剂和压裂液性能设计提供科学的基础,可保证压裂支撑剂有效分布在水裂裂缝面上,形成有效的泄油通道,而不是堵在井壁裂缝口处造成压裂作业失效，但是该发明并不能测量I型裂缝延伸速度、开裂位移和延伸长度等数据。

发明内容