[发明专利]一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法

说明书

本发明公开了一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，首先选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由钻芯、切割打磨和预制切槽最终成型，然后选用三点弯曲方式对试样进行测试，结合高速相机观测和记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，并采集试验过程中SHPB压杆上应变片记录的电压‑时间曲线，以及高速相机记录的每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存，最后对高速相机记录图像进行处理，采用Image J图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度，进一步根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值。

技术领域

本发明涉及岩石材料试验方法领域，尤其涉及一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法。

背景技术

岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产物，被广泛应用于各类建筑物地基、围岩或建筑材料等工程建设领域。但岩石工程的失稳和破坏大多是由于岩体内部萌生裂纹，并扩展贯通导致的。准确测定岩石在动态荷载作用下的裂纹扩展速度和分形维数等参数对于岩石爆破工程、地震研究、水力压裂抽采煤层气和岩石的破坏机理研究等均具有重要意义。在岩石三种断裂模式中，I型（张开型）断裂在工程中最为常见，因此对于岩石的I型断裂参数的测定更显得尤为重要。

然而，在研究岩石中裂纹扩展速度的方面，存在理论预测和实验结果的较大差异，并且其机理尚不清楚。例如，在很多实验结果中测得的最大裂纹扩展速度常显著低于瑞利波速，其原因推测是当前动态断裂理论均假设裂纹扩展路径为一平直直线，但其真实裂纹扩展路径往往并非平直。但以往开展的实验测试多根据裂纹开始启裂和最终止裂的裂尖扩展距离和时间来计算其平均裂纹扩展速度，并没有考虑岩石材料动态断裂过程中裂纹由于非均质性和各向异性造成的弯曲和分形特征，更没有考虑裂纹的瞬时速度变化情况。因此，以往的平均裂纹扩展速度测试方法并不能够准确反映岩石中裂纹扩展的速度和分形特征。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其操作简便，能够准确反映岩石中裂纹扩展的速度和分形特征，克服以往岩石材料I型裂纹扩展测定方法不够准确的不足。另外，还能够同时测定岩石I型断裂过程中的裂纹扩展速度和分形维数特征，节省了试验成本。

一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；

（2）选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压-速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；

（3）采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；

（4）通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压-时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；