用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件及复合断裂韧度测试方法

摘要

本发明提供了一种用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件，所述深梁试件的本体为长方体形，本体上设置有沿本体下端面厚度B方向中心线开口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度方向前后端面的切槽，切槽(2)槽面与试件本体垂直于长度方向的横截面的夹角β为0°≤β≤60°，试件本体的宽度W控制在0.5L±0.01L范围，试件本体的厚度B不小于长度L的0.4倍，且不小于30mm，L为本体的长度。本发明还提供了一种利用上述深梁试件进行岩石I-II复合断裂韧度测试方法。本发明提供的所述深梁试件结构形式简单，易于利用岩块加工，且能实现从纯I型到纯II型整个复合加载区间的I-II复合断裂韧度测试。

说明书

技术领域

本发明属于岩石断裂韧度测试领域，特别涉及断裂韧度测试的岩石试件及断裂韧度测试 方法。

背景技术

开展岩石断裂韧度测试方法研究是准确获取岩石断裂韧度值的重要前提，也是进行岩石 断裂力学理论和应用探索的重要途径。国际岩石力学学会(ISRM)先后建议了人字形切槽短圆 棒短圆棒(SR)试样(BarkerLM.Asimplifiedmethodformeasuringplanestrainfracture toughness[J].EngineeringFractureMechanics,1977,9(2):361-369)、人字形切槽三点弯曲圆棒 (CB)试样(OuchterlonyF.Suggestedmethodsfordeterminingthefracturetoughnessofrock[J]. InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1988,25(2):71-96)、人字形切槽巴 西圆盘(CCNBD)试样(FowellRJ.SuggestedmethodfordeterminingmodeIfracturetoughness usingcrackedchevronnotchedBraziliandisc(CCNBD)specimens[J].InternationalJournalof RockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts,1995,32(1):57-64)和穿透直切 槽半圆盘弯曲(SCB)试样(KuruppuMD,ObaraY,AyatollahiMR,ChongKP,FunatsuT. ISRM-SuggestedMethodforDeterminingtheModeIStaticFractureToughnessUsing Semi-CircularBendSpecimen[J].RockMechanicsandRockEngineering,2014,47(1):267-274)用 于I型静态断裂韧度测试。这四种试件均是在钻取的岩芯基础上进一步加工获得。其中，若 从一个完整圆盘切割制作两个SCB试件，会损失掉部分材料成为非标准半圆盘，测试结果需 要理论修正。若加工标准SCB试样，则一个圆盘只能加工一个试件，浪费材料。美国材料与 试验协会(ASTM)也提供了包含单边切槽梁(SENB)三点弯曲试验(ASTME1820-01.Standard testmethodformeasurementoffracturetoughness[S].WestConshohocken:ASTMInternational, 2001)、圆盘紧凑拉伸(DCT)试验(Sun,Z.,Ouchterlony,F.FracturetoughnessofStripagranite cores[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts, 1986,23(6):399-409)等在内的多种试件构形和测试方法用于材料断裂韧度测试。矩形横截面 的SENB试件在多种行业内均被广泛采用。

但在油气开采领域井下取芯十分困难，岩芯数量往往十分有限。为了尽可能研究相似地 质构造条件储层岩石的力学性质，一般做法是先选取相同地质构造区块的块状岩石露头在室 内加工成所需数量岩样开展相关岩石力学试验。在其他工程领域(如采矿工程、地下工程等)， 岩块也比岩芯更易获取，取样经济成本也更低廉。相比钻取的岩芯，块状岩石典型特点是形 状和尺寸各异。对于采用外形为圆的断裂韧度测试构形，必须增加室内钻芯工序。为了成功 钻芯，要求岩块必须比钻取岩芯的尺寸大得多，这个缺陷在加工大尺寸SR、CB、CCNBD和 SCB试样时极为突出。另外，由于用于钻取岩芯的钻头尺寸有限，加工大尺寸(注：岩石混凝 土尺寸效应研究中需要采用一系列尺寸的试样)圆形或圆盘类试样必然受限。相比较而言，像 SENB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，避免了在尺寸有限的 岩块上钻芯。但另一方面，实际岩石工程中，岩石裂缝除承受I型载荷外，还承受I/II复合型 和II型载荷。为了准确预测岩石裂缝扩展，开展岩石复合断裂韧度测试十分必要。SENB试 件通过非对称三点弯曲加载或者四点弯曲加载也可以实现I/II复合断裂测试，但是非对称三 点弯曲加载下的SENB试件不能实现纯II型加载，四点弯曲加载试验实现过程较为复杂。同 时，标准的三点弯曲SENB试件的支座间距为4倍试件宽度，由于跨距大必然使得裂缝尖端 应力集中程度更大进而导致破坏载荷更小，因此该试件更适合金属类材断裂韧度测试，对岩 石和混凝土等脆性材料而言并不够理想。CB试样与SENB试样存在类似问题，测试时材料发 生断裂需要的载荷较小。SR试样只适用于岩石I型断裂韧度测试。CCNBD和SCB试件虽可 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。

综上所述，研究结构形式简单且易于利用岩块加工的岩石I-II复合断裂韧度测试的试件 及岩石I-II复合断裂韧度测试方法十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有试件构形的不足，提供一种适用于岩石I-II复合断裂韧度测 试的深梁试件及岩石I-II复合断裂韧度测试方法，该试件结构形式简单，易于利用岩块加工， 且能实现从纯I型到纯II型整个复合加载区间的I-II复合断裂韧度测试。

本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件，所述深梁试件本体为长方体形 体，本体上设置有沿本体下端面厚度B方向中心线开口，向本体内部延伸，并贯穿本体厚度 方向前后端面的切槽，切槽槽面与试件本体垂直于长度方向的横截面的夹角β为0°≤β≤60°， 试件本体的宽度W控制在0.5L±0.01L范围，试件本体的厚度B不小于长度L的0.4倍，且 不小于30mm，L为本体的长度。

上述深梁试件，试件本体任意相邻两个面的夹角最好控制在90°±0.5°的范围。

上述深梁试件，试件本体一个方向任意两个位置的断面尺寸偏差最好不超过0.2mm。

上述深梁试件，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。

上述深梁试件，所述切槽的长度a为0.4W≤a≤0.6W，W为本体的宽度，切槽的宽度b小 于1.5mm。

本发明所述用于岩石I-II复合断裂测试的深梁试件制作方法：

将从工程现场或野外采集的岩块用岩石切割机加工成比所需尺寸略大的试件本体，使用 磨床将本体的一面磨平，接着使用已磨平的面作基准面打磨背面。使用磨床打磨时，每次进 刀小于1mm，直到打磨到所需厚度。当形成两个平行的平面后即可使用已通过百分表校准的 虎钳夹住试样本体打磨两个侧面，直到两个侧面的距离满足尺寸要求。如此反复即可将本体 6个面打磨完成，经过磨床打磨的本体两个相邻面具有很好的垂直度，从而保证了三点弯曲 加载时试件沿厚度方向与加载压头、两个支座有良好的线接触，避免由于用于加载和支撑的 本体上下端面不平行导致的加载端压头与试件表面点接触。需要注意的是，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。 也可使用双端面磨床进行打磨，减小工作量。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0.2mm。

若条件允许，推荐使用万向虎钳配合铣床进行预制切槽加工，万向虎钳和铣床机头均可 旋转调节，适用于裂缝倾角组数较多的试件加工。与此同时，还应在试件表面沿夹角β方向 进行划线校核。为了得到尽可能满足断裂力学要求的切槽尖端，必须严格控制裂缝宽度。推 荐使用厚度为0.3mm～1mm的刀具切割，或使用很细的线锯直接加工至所需裂缝长度。切槽 预制过程中，每次进刀宜小于a/10且不应大于4mm。当使用厚度小于0.5mm的金刚石刀片 切割切槽时，可直接切割至所需切槽长度a；若使用大于0.5mm的刀片切割切槽时，则切割 长度应略小于a，之后使用超薄锯片对切槽前沿进行精细打磨至所需长度。

本发明所述岩石I-II复合断裂韧度测试方法，是将被测岩石的岩块制作成上述深梁试件， 然后使用对称三点弯曲加载方式进行岩石I-II复合断裂韧度试验，包括如下步骤：

(1)在0.4W≤a≤0.6W范围内选定切槽长度a，并在0.5W≤d≤0.7W范围内选定支座半间 距d，利用有限元数值软件计算夹角β为60°时切槽尖端的应力强度因子；

(2)若计算得到的I型应力强度因子大于0且与II型应力强度因子绝对值的比值大于 1/10000，则在所述尺寸范围内减小支座间距d或增加切槽长度a，再次利用有限元进行夹角 β为60°时的切槽尖端应力强度因子计算；重复此步骤，直到β为60°时切槽尖端I型应力强 度因子小于0，或I型应力强度因子大于0但与II型应力强度因子绝对值的比值不大于 1/10000；

(3)在步骤(2)基础上，若I型应力强度因子与II型应力强度因子比值的绝对值不大于 1/10000，则表明当前选定的切槽长度a和支座半间距d组合满足权利要求1中关于切槽夹角 的要求，此时纯II型加载对应的夹角β_II即为60°；若β为60°时切槽尖端I型应力强度因子 小于0但与II型应力强度因子比值的绝对值大于1/10000，则进一步减小切槽夹角β，并利用 有限元进行切槽尖端应力强度因子计算，直到计算得到的I型应力强度因子与II型应力强度 因子比值的绝对值小于1/10000，此时可实现纯II型加载的切槽夹角上限即为当前选定的夹 角β_II；当最大夹角β_II确定后，即可在0°≤β≤β_II范围内选择多组夹角加工试件，试件加工过 程中切槽长度始终等于选定的切槽长度a；

(4)根据步骤(1)、(2)、(3)的计算结果，通过三点弯曲夹具刻度尺调节两支座半间距d， 调整后的两个支座的前端间距和后端间距相差不大于1％，且所有实验中均应使用相同的支座 半间距d；

(5)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，另外两条辅助线对称分布在两侧，相邻两条辅助线间的间距等于支 座半间距d；

(6)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件的支点；

(7)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；

(8)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。

上述方法，操作岩石力学试验机对试件加载的速率最好低于0.2mm/min。

上述方法，所述载荷加载压头为圆棒结构加载压头，所述支座为圆棒结构支座。

表1不同a/W和d/W的SENDB试件实现纯II型加载的上限夹角β_II

d/W＝0.5 d/W＝0.6 d/W＝0.7 a/W＝0.4 45.9° -- -- a/W＝0.5 39.0° 48.4° 67.1°(＞60°，舍弃该组合) a/W＝0.6 35.4° 42.4° 51.3°

注：--值为空。

采用本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件及岩石I-II复合断裂韧度测 试方法测试岩石复合断裂韧度，需根据复合断裂测试中记录的峰值载荷P_cr、试件的几何尺寸 以及实验中的参数设定进行计算，具体的计算方法和计算过程如下：

1、根据三点弯曲加载中支座半间距d、裂缝长度a和夹角β使用数值方法计算切槽尖端 的I型和II型无量纲应力强度因子Y_I和Y_II(结果见图6至图11)

2、根据实验中的峰值载荷和I(II)型无量纲应力强度因子Y_I(Y_II)按如下公式计算岩石复合 断裂韧度

$K_i=\frac{P_{\mathrm{cr}}\sqrt{\mathrm{\pi a}}}{2\mathrm{WB}}{Y}_i(\frac{a}{W},\frac{d}{W},b),i=I,\mathrm{II}$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述深梁试件为岩石的复合断裂韧度测试增加了一种新的试件类型，丰富了试 件类型。

2、本发明所述试件结构简单，易于利用岩块(例如页岩露头)切割加工制作，避免在尺寸 有限的岩块上进行钻芯，加工方便容易。

3、本发明所述试件与传统SENB试件相比，夹角0°≤β≤60°，在对称三点弯曲加载下即 可实现II型加载，可方便地通过调整夹角β、裂缝长度a和支座半间距d实现从纯I型到纯 II型整个复合断裂区间的I/II复合断裂韧度测试，加载试验方法简单。

4、本发明所述试件在三点弯曲试验中支座半间距d与试件宽度W的比值满足 0.5≤d/W≤0.7，远小于传统SENB试件对称三点弯曲试验中的支座半间距d与SENB试件宽度 W的比值2.0，由于岩石和混凝土这类脆性材料抗压不抗拉，本发明所述试件及其测试方法中 的支座跨距更小，因此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。

5、本发明所述试件长度L与宽度W比值为2.0±0.04，而受限于跨距2d的尺寸限制， 传统的SENB试件长度L与宽度W比值须大于或等于4.5；本发明所述试件的厚度满足 B/L≥0.4，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，这与岩石断裂力学中 要求的的平面应变条件更加吻合。

6、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数字散斑测试系统 进行裂缝扩展过程的追踪以及裂缝前沿岩石变形测量。

7、本发明所述用于深梁试件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I-II复合断裂韧度测试的深梁试件结构示意图；

图2是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件的主视图；

图3是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件的侧视图；

图4是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件的俯视图；

图5是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁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I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.4时I型无量纲应力强度因子Y_I数值计算结果；

图7是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.5时I型无量纲应力强度因子Y_I数值计算结果；

图8是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.6时I型无量纲应力强度因子Y_I数值计算结果；

图9是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.4时II型无量纲应力强度因子Y_II数值计算结果；

图10是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.5时II型无量纲应力强度因子Y_II数值计算结果；

图11是本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件在裂缝长度a与试件宽度 W比值为0.6时II型无量纲应力强度因子Y_II数值计算结果。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件及 岩石I-II复合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MTS815岩石力学试验机，使用 MTS试验机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。

实施例1

本实施例所述用于岩石I-II复合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方向中心线开口，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180mm，宽度W为90mm， 厚度B为76mm；切槽长度a为54mm(与试件宽度W比值为0.6)，夹角β为0°，厚度b为 0.7mm。用上述试件进行岩石I/II复合断裂测试操作如下：

(1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节支座半间距d，使得d为63mm(与试件宽度W比值为 0.7)，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63mm；

(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，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0.03mm/min，操作岩石力学试验机开始 试验，采集到的峰值载荷P_cr为2.103kN。

由图8得I型无量纲应力强度因子Y_I＝6.929，由图11得II型无量纲应力强度因子Y_II＝0， 可知夹角β为0°时为纯I型断裂，因此，根据测试中记录的峰值载荷P_cr以及Y_I计算得到的 砂岩I型断裂韧度为：

$\left(\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{Ic}}=\frac{P_{cr}\sqrt{\pi a}}{2WB}{Y}_I\left(\frac{a}{W},\frac{d}{W},\beta \right)\\ =\frac{2.103\times {10}^3\sqrt{\pi \times 54\times {10}^{-3}}}{2\times 90\times {10}^{-3}\times 76\times {10}^{-3}}\times 6.929Pa\sqrt{m}=0.439MPa\sqrt{m}\end{array}\right)$

实施例2

本实施例所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件，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方向中心线开口，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180mm，宽度W为90mm，厚度B 为76mm；与实施例1不同，切槽2长度a为36mm(与试件宽度W比值为0.4)，厚度b为0.7 mm；与实施例1不同，本实施例中夹角β为20°。用上述试件进行岩石I/II复合断裂测试操 作如下：

(1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节支座半间距d，使得d为45mm(与试件宽度W比值为 0.5)，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45mm；

(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，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0.03mm/min，操作岩石力学试验机开始 试验，采集到的峰值载荷P_cr为6.626kN。

由图6得I型无量纲应力强度因子Y_I＝1.938，由图9得II型无量纲应力强度因子Y_II＝ 0.963，可知，β为20°时为复合度的复合断裂，因此，根据测试中记录的峰 值载荷P_cr以及Y_I和Y_II计算得到的砂岩复合断裂韧度为：

$\left(\begin{array}{c}{K}_I=\frac{P_{cr}\sqrt{\pi a}}{2WB}{Y}_I\left(\frac{a}{W},\frac{d}{W},\beta \right)\\ =\frac{6.626\times {10}^3\sqrt{\pi \times 36\times {10}^{-3}}}{2\times 90\times {10}^{-3}\times 76\times {10}^{-3}}\times 1.938Pa\sqrt{m}=0.316MPa\sqrt{m}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{K}_{II}=\frac{P_{cr}\sqrt{\pi a}}{2WB}{Y}_{II}\left(\frac{a}{W},\frac{d}{W},\beta \right)\\ =\frac{6.626\times {10}^3\sqrt{\pi \times 36\times {10}^{-3}}}{2\times 90\times {10}^{-3}\times 76\times {10}^{-3}}\times 0.963Pa\sqrt{m}=0.157MPa\sqrt{m}\end{array}\right)$

实施例3

本实施例所述用于岩石I-II复合断裂韧度测试的深梁试件，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方向中心线开口，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180mm，宽度W为90mm，厚度B 为76mm；与实施例1不同，切槽2长度a为36mm(与试件宽度W比值为0.4)，厚度b为0.7 mm；与实施例1和实施例2不同，本实施例中β为45.92°。用上述试件进行岩石I/II复合断 裂测试操作如下：

(1)根据三点弯曲夹具刻度尺调节支座半间距d，使得d为45mm(与试件宽度W比值为 0.5)，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45mm；

(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，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0.03mm/min，操作岩石力学试验机开始 试验，采集到的峰值载荷P_cr为11.304kN。

由图6查得I型无量纲应力强度因子Y_I＝0，由图9查得II型无量纲应力强度因子Y_II＝0.898， 即β为45.92°时为纯II型加载断裂，因此，根据测试中记录的峰值载荷P_cr以及Y_II计算得到 的砂岩II型断裂韧度为：

$\left(\begin{array}{c}{K}_{IIc}=\frac{P_{cr}\sqrt{\pi a}}{2WB}{Y}_{II}\left(\frac{a}{W},\frac{d}{W},\beta \right)\\ =\frac{11.304\times {10}^3\sqrt{\pi \times 36\times {10}^{-3}}}{2\times 90\times {10}^{-3}\times 76\times {10}^{-3}}\times 0.898Pa\sqrt{m}=0.25MPa\sqrt{m}\end{array}\right)$