[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

说明书

本发明提供基于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，所用试件本体为带切槽的矩形深梁(NDB)，外形为长方体，本体中间横截面处预制有高度为a的切槽，向本体厚度方向延伸，且贯穿本体厚度方向前后端面；试件本体长度L为试件本体宽度W的2倍，厚度B不小于0.8W。基于这种NDB试样，本发明提供了一种利用非对称三点弯曲加载进行岩石纯I型、纯II型及I‑II复合断裂韧度测试的方法，通过非对称加载实现张拉和剪切荷载的施加。本发明所用NDB试样结构简单，易于利用岩块加工；加载所用夹具为普通三点弯曲夹具，仅需支座非对称布置，实验加载极为方便，且能实现纯I型、纯II型及整个复合加载区间的I‑II复合断裂韧度测试。

技术领域

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Y_min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。