一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法

一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统及方法
技术领域
1.本发明属于岩石力学与工程领域，尤其涉及一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统及方法。


背景技术：

2.在采矿、水利、岩土等工程中，岩石动态ii型即面内剪切型断裂是岩体失稳破坏的重要模式之一，所以岩石动态ii型断裂韧度是岩石工程结构设计和安全评估的重要指标。目前，国际岩石力学学会(isrm)尚未推荐适合岩石动态ii型断裂韧度的测试方法，现有的测试方法大多是将岩石静态ii型断裂韧度的试验方法应用在霍普金森压杆(shpb)试验系统中，例如：非对称切槽短梁压缩试验、穿孔剪切试验、双面帽形剪切试验、中心直裂纹巴西圆盘试验等，以获取岩石动态ii型断裂韧度。
3.在岩石动态试验过程中，现有用于岩石动态ii型断裂韧度的测试方法主要存在四个弊端，造成了岩石动态ii型断裂韧度测量精度降低且无法推广。第一，岩石试件加载端部易造成应力集中，使得岩石试件提前破坏；第二，岩石试件制备复杂，加工时间长且成本较高；第三，岩石试件断裂时，预制裂纹端部i型即张开型应力强度因子较大，导致动态ii型断裂韧度测量精度低，裂纹贯通模式混乱，次生裂纹发育严重；第四，岩石试件夹具易改变shpb试验系统应力波传播原理，不利于满足岩石动态试验要求的应力平衡条件。因此，设计一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统及方法，对于提高岩石动态ii型断裂韧度的测量精度和测试效率具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有岩石动态ii型断裂韧度测试方法中试件加工复杂、动态试验应力平衡差和测量精度低的不足，提供一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统及方法，本发明中涉及的岩石试件结构和制备简单，减少了加工时间和成本，岩石试件加载不需要额外夹具，易满足应力平衡条件，提高了试验效率，该测试方法能有效降低预制裂纹端部的i型应力强度因子，提高了岩石动态ii型断裂韧度的测量精度。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统，包括操作平台、支撑底座、气缸、冲击杆、入射杆、透射杆、z字形岩石试件和吸收杆；所述气缸设置于操作平台，气缸输出端设有冲击杆，所述支撑底座设置于操作平台上方，冲击杆一侧的支撑底座上依次设置有入射杆、透射杆和吸收杆，所述入射杆与冲击杆相近的端面上设有整形器，所述入射杆和透射杆之间夹持有所述z字形岩石试件；入射杆与透射杆上均设有应变片，所述应变片通过屏蔽信号线与数据采集处理系统连接；
7.所述z字形岩石试件是通过对一个圆柱形岩石的对角方向分别切割掉相同大小的半圆柱体后得到，所述z字形岩石试件的中部设有沿水平直径方向贯穿z字形岩石试件的中心裂纹。
8.进一步的，切割掉的半圆柱体的长度作为错位距离，圆柱形岩石试件的高度与圆柱形岩石试件的直径之间的比值称为高径比，取值为0.5～1.5；错位距离与圆柱形岩石试件的高度的比值称为错位比，取值为0.18～0.3。
9.进一步的，所述中心裂纹的长度与圆柱形岩石试件的高度的比值称为裂纹比，取值为0.1～0.4。
10.进一步的，所述中心裂纹的宽度取值范围为0.5～2mm。
11.一种岩石动态ii型断裂韧度的测试方法，基于权利要求1中岩石动态ii型断裂韧度的测试系统，包括以下步骤：
12.(1)将z字形岩石试件夹持在入射杆和透射杆之间，使z字形岩石试件顶端与入射杆后端面贴紧，使z字形岩石试件底端与透射杆的前端面贴紧；
13.(2)利用气缸内压缩空气驱动冲击杆撞击入射杆的前端面，从而对z字形岩石试件施加冲击荷载；
14.(3)利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片，数据采集处理系统记录z字形岩石试件动态ii型断裂过程中的入射应变、透射应变和反射应变，当入射应变和透射应变之和等于反射应变时，z字形岩石试件两端满足应力平衡，可按下述公式计算冲击荷载p(t)：
[0015][0016]
式中：e和a分别为入射杆和透射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)、εr(t)和ε
t
(t)分别为应变片采集到的入射应变信号、反射应变信号和透射应变信号；
[0017]
(4)将冲击荷载p(t)带入下述公式计算z字形岩石试件的i型和ii型应力强度因子：
[0018][0019][0020]
式中：p
max
为峰值冲击荷载，r为z字形岩石试件的半径，a为中心裂纹长度的一半，yi和y
ii
分别为z字形岩石试件i型和ii型几何因子，yi和y
ii
由j积分法的有限元程序确定。
[0021]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0022]
1.本发明中涉及的含中心裂纹的z字形岩石试件制作工序简单，加工成本低，易于推广用于测量岩石动态ii型断裂韧度。
[0023]
2.本发明的z字形岩石试件的半圆形端部能方便快捷地贴合霍普金森压杆试验系统即本发明测试系统中入射杆和透射杆的端面，不易造成端部应力集中，防止了岩石试件在试验过程中提前破坏。
[0024]
3.本发明测试方法不需要额外的试件夹具，不会改变shpb试验系统应力波传播原理，更易满足动态试验要求的应力平衡条件，节约了试验时间，提高了测试效率。
[0025]
4.本发明测试方法所施加冲击荷载作为直接作用于裂纹面前缘的面内的剪力，能有效降低裂纹端部的i型应力强度因子和减弱次生裂纹的发育，提高了岩石动态ii型断裂韧度的测试精度。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例中z字形岩石试件的立体结构示意图。
[0027]
图2为本发明实施例中z字形岩石试件的正视结构示意图。
[0028]
图3为本发明实施例中测试系统的结构示意图。
[0029]
图4为当高径比为1时，不同错位比和裂纹比下z字形岩石试件的几何因子yi和y
ii
图。
[0030]
附图标记：1-中心裂纹，2-气缸，3-冲击杆，4-整形器，5-入射杆，6-应变片，7-z字形岩石试件，8-透射杆，9-吸收杆，10-操作平台，11-支撑底座，12-屏蔽信号线，13-数据采集处理系统。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或者位置，仅是为了便于和简化描述本专利，并不用于限定本发明。
[0032]
见图1至图3，基于霍普金森压杆试验系统，本实施例提供一种岩石动态ii型断裂韧度的测试系统，包括操作平台10、支撑底座11、气缸2、冲击杆3、入射杆5、透射杆8、z字形岩石试件7和吸收杆9；气缸2设置于操作平台10，气缸2输出端设有冲击杆3，支撑底座11设置于操作平台10上方，冲击杆3一侧的支撑底座11上依次设置有入射杆5、透射杆8和吸收杆9，入射杆5与冲击杆3相近的端面上设有整形器4用于改善加载波形，入射杆5和透射杆8之间夹持有z字形岩石试件7；入射杆5与透射杆8的中部均设有应变片6，应变片6通过屏蔽信号线12与数据采集处理系统13连接；
[0033]
本实施例中的z字形岩石试件7是通过对一个圆柱形岩石的对角方向分别切割掉相同大小的半圆柱体后得到，z字形岩石试件7的中部设有沿水平直径方向贯穿z字形岩石试件的中心裂纹1。
[0034]
见图1至图3，具体的，本实施例中基于上述系统完成岩石动态ii型断裂韧度的测试方法的具体步骤如下：
[0035]
(1)制备用于岩石动态ii型断裂韧度的z字形岩石试件，z字形岩石试件由圆柱形的岩石沿顶、底面水平直径方向分别朝轴向方向切割，以圆柱形岩石的轴向为水平方向，切割的长度相同，即为z字形岩石试件的错位距离l；切割到错位距离后从圆柱形岩石顶端再沿着竖着向下方向切割变为半圆柱体端部，圆柱形岩石底端再沿着竖着向上方向切割变为半圆柱体端部，两个半圆柱体端部上下错位使得试件整体呈z字形，中心裂纹1位于z字形岩石试件的中部轴向位置，且沿水平直径方向贯穿试件；
[0036]
(2)z字形岩石试件的高度h和直径d之比称为高径比，高径比取值为1，z字形岩石试件的的直径d等于或小于入射杆5和透射杆8的直径，入射杆5和透射杆8的直径相同且材质相同；
[0037]
(3)z字形岩石试件7的错位距离l与z字形岩石试件的高度h之比称为错位比，取值为0.25；
[0038]
(4)中心裂纹1的长度2a与z字形岩石试件的高度h之比称为裂纹比，取值为0.3；中
心裂纹1的宽度取值为1mm；
[0039]
(5)将z字形岩石试件夹持在入射杆和透射杆之间，使z字形岩石试件顶端与入射杆后端面贴紧，使z字形岩石试件底端与透射杆的前端面贴紧；
[0040]
(6)利用气缸内压缩空气驱动冲击杆撞击入射杆的前端面，从而对z字形岩石试件施加冲击荷载；
[0041]
(7)利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片，数据采集处理系统记录z字形岩石试件动态ii型断裂过程中的入射应变、透射应变和反射应变，当入射应变和透射应变之和等于反射应变时，z字形岩石试件两端满足应力平衡，可按下述公式计算冲击荷载p(t)：
[0042][0043]
式中：e和a分别为入射杆和透射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)、εr(t)和ε
t
(t)分别为应变片采集到的入射应变信号、反射应变信号和透射应变信号；
[0044]
(8)将冲击荷载p(t)带入下述公式计算z字形岩石试件的i型和ii型应力强度因子：
[0045][0046][0047]
式中：p
max
为峰值冲击荷载，r为z字形岩石试件的半径，a为中心裂纹长度的一半，yi和y
ii
分别为z字形岩石试件i型和ii型几何因子，yi和y
ii
由j积分法的有限元程序确定。
[0048]
(9)对应步骤(3)错位比取值和步骤(4)裂纹比取值，根据j积分法的有限元程序确定yi和y
ii
，如图3所示得到yi≈0，y
ii
＝5.221，按下述公式计算岩石动态ii型断裂韧度：
[0049][0050]
其中通过j积分法的有限元程序确定yi和y
ii
的内容在申请号为“201610873898.2”、名称为“用于岩石iii型动态断裂韧度测试的试件及测试方法”的发明专利申请中有记载。
[0051]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。