一种疲劳荷载下岩石I型断裂韧度修正计算方法

本发明属于岩石断裂力学领域，具体涉及岩石断裂力学测试与计算方法，尤其涉及疲劳荷载作用下岩石i型断裂韧度的测试与修正计算方法。

背景技术：

1、岩石i型（张开型）断裂韧度（

ki）是表征岩石抵抗裂纹起裂与稳态扩展能力的核心力学参数，也是线弹性断裂力学框架下评价岩体完整性、预测裂纹扩展行为及指导工程稳定性设计的重要基础参数。国际岩石力学与工程学会（isrm）已推荐了多种岩石i型断裂韧度标准测试方法，其中半圆弯曲（scb）试样法因试样制备简便、测试结果稳定而被广泛采用，该方法基于线弹性断裂力学（lefm）理论，通过单调加载条件下的峰值荷载计算断裂韧度。现有测试标准及计算方法大多针对静态或准静态加载条件，所测得的断裂韧度被视作岩石材料的固有属性，未涉及循环荷载作用下岩石的断裂行为。

2、然而，在隧（巷）道钻爆法施工震动、列车往复荷载、库水位周期性波动等实际工程场景中，岩石长期承受循环疲劳荷载。已有研究表明，循环荷载对岩石i型断裂韧度具有显著的劣化效应；同时，循环加卸载过程中岩石产生不可恢复的塑性变形积累，且非线性程度随扰动荷载水平的升高而增加，导致基于线弹性假设的isrm推荐计算公式不再适用。目前已有标准测试方法和计算公式均未考虑疲劳荷载对断裂韧度的影响，缺乏统一的修正计算模型与标准化计算流程。因此，亟需提出一种适用于疲劳荷载作用下的岩石i型断裂韧度修正计算方法，通过定量表征疲劳加载过程中的非线性变形特征，实现对断裂韧度劣化程度的准确计算，为受疲劳荷载影响的岩石工程长期稳定性分析提供更为可靠的理论依据与计算手段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其能够克服现有isrm推荐方法仅适用于静态或准静态加载条件的局限，通过定量表征疲劳加载过程中岩石材料的非线性变形特征，实现对疲劳荷载作用下岩石i型断裂韧度的准确计算，为受疲劳荷载作用的岩石工程长期稳定性分析提供可靠的理论依据与计算手段。

2、为实现以上发明目的，本发明提供一种疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，包括如下步骤：

3、a）制备具有直切槽的半圆盘（scb）试样，试样的几何尺寸应满足国际岩石力学与工程学会（isrm）推荐方法的要求；

4、b）对试样进行疲劳荷载试验，采用伺服液压材料试验机施加循环荷载，记录整个加载过程中试样的荷载-位移曲线；

5、c）根据荷载-位移曲线中加卸载滞回环的塑性变形特征确定非线性程度参数

k；

6、具体方法为：选取疲劳荷载阶段第一次加卸载滞回环与最后一次加卸载滞回环，分别构建各次加卸载循环的线性卸载直线，获得塑性变形相关位移参数

ua和

ub，按公式计算得到非线性度参数

k；

7、d）将步骤c得到的非线性度参数

k代入修正公式，式中，为isrm标准方法由峰值荷载计算得到的表观岩石i型断裂韧度，计算得到疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正值。

8、优选地，步骤a）中的半圆盘scb试样的直切槽设于半圆盘试样上平面的中部，并沿半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。

9、具体地，步骤b）中加载速率控制在准静态范围内。

10、进一步地，步骤c）中根据荷载-位移曲线确定第一次加卸载滞回环的最终基准线q1'w1'与最后一次加卸载滞回环的最终基准线qn'wn'。

11、进一步地，步骤c）中通过构建线性卸载直线得到塑性变形相关位移参数

ua和

ub，并据此计算非线性度参数

k。

12、进一步地，根据非线性度参数

k计算疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正值。

13、采用上述方案本发明取得的有益效果如下：

14、1、本发明所要提供的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，建立了考虑疲劳荷载效应的岩石i型断裂韧度修正计算模型，突破了现有isrm推荐方法仅适用于静态单调加载条件的局限，通过引入非线性度参数

k定量表征疲劳荷载作用下岩石材料的累积塑性变形特征，实现了对疲劳荷载条件下岩石i型断裂韧度的准确计算。

15、2、本发明中非线性度参数

k可直接从疲劳试验荷载-位移曲线的加卸载滞回环中获取，无需复杂设备或额外试验，计算简便，适应性强，克服了现有技术中疲劳荷载下岩石断裂韧度计算缺乏统一修正模型的不足。

16、3、本发明能够为承受交通往复荷载、爆破震动扰动、库水位周期波动等疲劳荷载作用的岩石工程（如隧道围岩、大坝坝基、边坡岩体等）提供更为准确的断裂韧度设计参数，具有重要的工程应用价值。

1.一种疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，步骤a）中的半圆盘scb试样的直切槽设于所述半圆盘试样上平面的中部，并沿所述半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。

3.根据权利要求2所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，步骤b）中三点弯疲劳试验基于液压材料试验机进行，所述加载速率位于准静态范围，所述液压材料试验机通过位移传感器与计算机连接，以能够测量荷载和位移。

4.根据权利要求3所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，通过荷载-位移曲线特征点作初始基准线和最终基准线。

5.根据权利要求4所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，通过所述最终基准线获得平均荷载。

6.根据权利要求5所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，通过所述最终基准线和位移轴获得位移特征参数ua和ub。

7.根据权利要求6所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，通过所述位移特征参数ua和ub，获得非线性度参数k。

8.根据权利要求7所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，修正后的断裂韧度等于国际岩石力学与工程学会推荐方法由峰值荷载直接计算得到的表观断裂韧度乘修正系数，所述修正系数由所述非线性度参数k确定。

9.根据权利要求8所述的疲劳荷载下岩石i型断裂韧度修正计算方法，其特征在于，所述表观断裂韧度由疲劳加载过程中的峰值荷载、试样半径、试样厚度、切槽长度以及无量纲形状因子确定，所述无量纲形状因子由切槽长度与试样半径的比值以及支撑点间距与试样直径的比值确定。