[发明专利]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

权利要求书

1.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，其特征在于，使用NDB试样，所述NDB试样为长方体，NDB试样中设置有由NDB试样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，NDB试样长度L为NDB试样宽度W的2倍，NDB试样厚度B不小于0.8W，切槽的深度为a，且0.3W≤a ≤0.7W；

采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a，并在0.4≤S₁/W≤0.9范围内确定S₁，调节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；其中，通过三点弯曲夹具刻度尺调节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％，且同组实验中均使用相同的S₁；

所述方法具体包括以下步骤：

利用有限元数值软件ABAQUS或ANSYS全面标定非对称三点弯曲加载下所述NDB试样达到断裂时裂纹尖端的无量纲应力强度因子Y_I、Y_II和无量纲化非奇异应力T*，并获得纯II型加载对应的S₂，步骤如下：

（1）建立对应的数值标定模型：利用有限元数值软件，建立NDB试样的三维几何模型，假设岩石材料为线弹性材料并赋予NDB试样弹性参数，之后划分网格，并在左支座处约束节点竖向和水平位移，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，在荷载P作用下，所述NDB试样I型和II型应力强度因子K_I，K_II和非奇异T应力表示为：

（1）

（2）

（3）

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

（4）

（5）

（6）

（2）基于步骤(1)所述数值标定模型，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，认为达到了纯II型断裂，获得实现纯II型加载的支座间距，其中，载荷复合度由下式给出：

（7）

（3）基于步骤(1)所述数值标定模型及步骤(2)获得的S₂，确定测试所需的a和S₁，右支座间距从S₁按照设置的步距逐步减小至S₂，逐一计算无量纲应力强度因子Y_I和Y_II以及无量纲非奇异应力T*；

（4）在NDB试样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NDB试样前端面的中心线上，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S₁和S₂；

（5）借助直尺和NDB试样前端面上的辅助线，将NDB试样安装在试验台上，使NDB试样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）调整岩石力学试验机使其载荷加载压头与NDB试样有轻微接触，对NDB试样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NDB试样加载，直至NDB试样破坏完全失去承载能力；

（8）根据实验中的峰值载荷P_cr和I/II型无量纲应力强度因子Y_I/Y_II按以下公式计算岩石复合断裂韧度：

（8）

在0.4W≤S₁≤0.9W和0.3W≤a≤0.7W范围内变化S₁和a，重复步骤（1）～（8）。