本發(fā)明屬于巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，特別涉及用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件及測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

在巖石工程中，為了保障工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，需要避免巖石發(fā)生斷裂，而在隧道掘進(jìn)、邊坡開(kāi)挖、油氣開(kāi)采時(shí)，又需要加速斷裂現(xiàn)象、提高破巖效率。巖石斷裂韌度作為巖石斷裂力學(xué)中表征巖石材料抵抗斷裂的力學(xué)參數(shù)，在工程應(yīng)用與理論研究中均具有重要的價(jià)值。根據(jù)裂紋體所受荷載方式的不同，可將斷裂分為I型(張開(kāi)型)、II型(面內(nèi)剪切型)和III型(面外剪切型，又稱撕裂型)三種基本模式，相應(yīng)地，斷裂韌度也可細(xì)分為I型、II型和III型斷裂韌度，即K_Ic、K_IIc和K_IIIc。在巖石工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全評(píng)估和數(shù)值模擬中，K_Ic、K_IIc和K_IIIc往往是不可或缺的基本力學(xué)參數(shù)。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法用以準(zhǔn)確測(cè)試斷裂韌度是巖石斷裂力學(xué)中的一項(xiàng)重要研究課題。

近年來(lái)，許多研究者對(duì)巖石斷裂韌度測(cè)試開(kāi)展了大量的研究，但現(xiàn)有研究大多針對(duì)的是I型或II型斷裂韌度，對(duì)于III型斷裂韌度測(cè)試的研究相對(duì)較少，這是因?yàn)椋涸趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)試件施加I型和II型荷載比較容易，而要施加III型荷載往往需要十分復(fù)雜的裝置和非常繁瑣的操作。因此，有必要發(fā)展簡(jiǎn)便可行的試驗(yàn)方法用于測(cè)試巖石材料的III型斷裂韌度，以供實(shí)際工程應(yīng)用。

CN103471935A公開(kāi)了一種用于測(cè)試塑性材料Ⅲ型斷裂韌度的試件，該試件為長(zhǎng)方形平板試件，長(zhǎng)邊＞寬邊＞厚度，在平板兩條長(zhǎng)邊的中間位置對(duì)稱設(shè)置兩條垂直于長(zhǎng)邊的初始切槽裂紋，在開(kāi)槽后剩余的、起連接作用的韌帶的兩個(gè)表面設(shè)置對(duì)稱V型邊切槽，該試件能在一般的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成試驗(yàn)。但是，若將該試件應(yīng)用于巖石材料的Ⅲ型斷裂韌度測(cè)試，將存在以下不足：(1)巖石材料通常是在工地現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆芯的方式取得，得到的巖石呈圓柱體，加工成長(zhǎng)方形薄板的難度較大；(2)該試件需要制作較淺的V型切槽，此V型切槽制作起來(lái)十分不易，尤其是對(duì)于粗顆粒的巖石材料，容易給試件造成額外的損傷，影響試件精度；(3)使用該試件測(cè)試時(shí)是通過(guò)支撐座支點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)方形試件的4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行加載，施加的荷載為點(diǎn)荷載，加載位置正好處于長(zhǎng)方形試件角點(diǎn)，此加載方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分困難，容易因加載角點(diǎn)先于裂紋端部開(kāi)裂而造成試驗(yàn)失效；(4)該發(fā)明中并未說(shuō)明試驗(yàn)后如何計(jì)算III型斷裂韌度，因此并不完備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有III型斷裂韌度測(cè)試試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作難度大以及沒(méi)有成熟可行的III型斷裂韌度測(cè)試方法的技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明旨在提供用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件及測(cè)試方法，以簡(jiǎn)化巖石III型斷裂韌度測(cè)試組件的結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中巖石III型斷裂韌度測(cè)試方法的缺失。

本發(fā)明提供的用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件，包括帶切槽的試件本體和抵壓試件本體的壓頭，所述試件本體呈圓盤(pán)形，位于其上的切槽為四個(gè)形狀相同的切槽，分別位于本體相互垂直的兩直徑上，四個(gè)切槽均沿試件本體側(cè)面的厚度方向向試件本體中心線開(kāi)口、向本體內(nèi)部延伸并貫穿試件本體的上下端面；所述壓頭為四個(gè)形狀相同與試件端平面成點(diǎn)接觸的弧端面壓頭，兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體一側(cè)端面同一直徑上，另兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體另一側(cè)端面同一直徑上，兩直徑相互垂直且分別與切槽所在兩直徑呈45°夾角，各壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離相等。

上述試件組件的技術(shù)方案中，所述壓頭以其平底面與試件本體端面平行的方式粘附在試件本體端面上。

上述試件組件的技術(shù)方案中，試件本體的厚度與試件本體的半徑之比為0.2～0.4。

上述試件組件的技術(shù)方案中，切槽的深度與試件本體的半徑之比為0.4～0.6。

上述試件組件的技術(shù)方案中，試件本體的半徑至少為25mm，切槽的寬度不超過(guò)1mm。

上述試件組件的技術(shù)方案中，壓頭的端頭為球面或橢球面壓頭；優(yōu)選半球體壓頭或者半橢球體壓頭。

上述試件組件的技術(shù)方案中，壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離，即到試件本體端平面邊緣的距離，優(yōu)選為5～10mm。

本發(fā)明還提供的利用上述試件組件用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試組件進(jìn)行測(cè)試的方法：將試件組件水平放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作平臺(tái)上，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以位移控制的方式通過(guò)試件組件的壓頭對(duì)試件本體進(jìn)行加載直至試件本體失效，加載方向垂直于試件本體的上下端面，記錄試件本體的峰值失效荷載P_max，按式(I)計(jì)算巖石III型斷裂韌度K_IIIc：

式(I)中，S為任一壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離，S＝R-壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離，a為切槽的深度，B和R分別為試件本體的厚度和半徑，Y為試件的幾何形狀系數(shù)，Y值利用有限元數(shù)值軟件計(jì)算得到。

上述巖石III型斷裂韌度測(cè)試方法的技術(shù)方案中，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以位移控制的方式通過(guò)試件的壓頭對(duì)試件進(jìn)行加載時(shí)，控制加載速率使試件本體在30～60秒失效。試件本體失效是指試件本體被破壞完全失去承載能力。

上述巖石III型斷裂韌度測(cè)試方法的技術(shù)方案中，試件的幾何形狀系數(shù)Y值的大小與切槽的深度、試件本體的半徑以及壓頭的設(shè)置位置等因素有關(guān)，利用有限元數(shù)值軟件計(jì)算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元數(shù)值計(jì)算軟件中，建立與試件本體成任一比例的有限元數(shù)值模型，在試件本體的有限元數(shù)值模型上與試件本體加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置處施加任意荷載P，然后利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件輸出裂紋尖端的III型應(yīng)力強(qiáng)度因子K_III，通過(guò)式(II)計(jì)算得到Y(jié)值：

式(II)中，B′、R′、和a′為試件本體的有限元數(shù)值模型的幾何參數(shù)，與試件本體中B、R和a的物理意義相同，S′為試件本體的有限元數(shù)值模型中加載點(diǎn)到該加載點(diǎn)所在試件本體端面圓心的距離，與試件本體中S的物理意義相同，并且這些對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)之間均為同一比例。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明提供了一種新型結(jié)構(gòu)的用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件，該試件組件由帶直形邊切槽的圓盤(pán)形試件本體和壓頭組成，試件本體可由工地現(xiàn)場(chǎng)鉆取的圓柱形巖芯經(jīng)簡(jiǎn)單切割后得到，然后在試件本體上粘結(jié)上壓頭即完成該試件的制作，由于圓盤(pán)形試件本體可減少切割加工量，直形邊切槽可有效降低加工難度，尤其是對(duì)于粗顆粒的巖石材料，還能減少加工時(shí)的試件損傷、提高加工精度，與現(xiàn)有的帶V型邊切槽的長(zhǎng)方形平板試件相比，本發(fā)明所述試件組件不但制作方式簡(jiǎn)單、加工難度低，而且能提高試件的加工精度。

2.本發(fā)明所述用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件通過(guò)壓頭在試件本體上的巧妙布置，配合一般的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)即可通過(guò)壓頭實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的III型加載，加之加載位置與試件本體上切槽的形式和位置設(shè)置合理，加載時(shí)不會(huì)因加載點(diǎn)先于裂紋端部開(kāi)裂而造成試驗(yàn)失效，與傳統(tǒng)III型斷裂韌度測(cè)試試件相比，無(wú)需配合使用復(fù)雜的加載以及夾持裝置即可實(shí)現(xiàn)III型荷載的加載，還能避免復(fù)雜的加載操作，本發(fā)明所述試件具有加載方式簡(jiǎn)單、易操作和有利于提高加載精度的優(yōu)勢(shì)。

3.本發(fā)明還提供了利用上述試件組件進(jìn)行巖石III型斷裂韌度測(cè)試的方法，該方法利用本發(fā)明提供的試件組件配合普通的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)加載，而且該方法的操作過(guò)程和巖石III型斷裂韌度的計(jì)算過(guò)程均十分簡(jiǎn)單，因此該方法在試件制作、設(shè)備需求、試驗(yàn)過(guò)程和經(jīng)費(fèi)投入上都具有較大的優(yōu)勢(shì)，該方法填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中巖石III型斷裂韌度測(cè)試的缺失，可有效解決巖石工程中對(duì)簡(jiǎn)便可行的III型斷裂韌度測(cè)試方法的實(shí)際需求，實(shí)用性強(qiáng)，有利于推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件的立體圖；

圖2是本發(fā)明所述用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件的俯視圖；

圖3是本發(fā)明所述方法的加載示意圖；

圖中，1—試件本體、2—切槽、3—壓頭、R—試件本體的半徑、S—任一壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離、B—試件本體的厚度、a—切槽的深度、t—切槽的寬度、d—半球體壓頭的直徑。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件及測(cè)試方法進(jìn)一步說(shuō)明。有必要在此指出，下面的實(shí)施例只是用于更好地闡述本發(fā)明的工作原理及其實(shí)際應(yīng)用，以便于其它領(lǐng)域的技術(shù)人員將本發(fā)明用于其領(lǐng)域的各種設(shè)施中，并根據(jù)各種特定用途的設(shè)想進(jìn)行改進(jìn)。盡管本發(fā)明已通過(guò)文字揭露其首選實(shí)施方案，但通過(guò)閱讀這些技術(shù)文字說(shuō)明可以領(lǐng)會(huì)其中的可優(yōu)化性和可修改性，并在不偏離本發(fā)明的范圍和精神上進(jìn)行改進(jìn)，但這樣的改進(jìn)應(yīng)仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件的結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，該試件本體由施工現(xiàn)場(chǎng)鉆取的圓柱形巖芯經(jīng)金剛石切片機(jī)切割制作而成。

用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件，由帶切槽2的試件本體1和抵壓試件本體的壓頭3組成，所述試件本體1呈圓盤(pán)形，該圓盤(pán)形試件本體的半徑R＝50mm、厚度B＝10mm，位于其上的切槽2為四個(gè)形狀相同的切槽，分別位于本體相互垂直的兩直徑上，四個(gè)切槽均沿試件本體側(cè)面的厚度方向向試件本體中心線開(kāi)口、向本體內(nèi)部延伸并貫穿試件本體的上下端面，切槽的深度a＝25mm、切槽的寬度t＝1mm；所述壓頭3為四個(gè)直徑d均為10mm的鋼質(zhì)半球體，各壓頭以其平底面與試件本體端面平行的方式粘附在試件本體端面上，兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體一側(cè)端面同一直徑上，另兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體另一側(cè)端面同一直徑上，兩直徑相互垂直且分別與切槽所在兩直徑呈45°夾角，各壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離均為5mm，即壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離S均為45mm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件的結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，該試件本體由施工現(xiàn)場(chǎng)鉆取的圓柱形巖芯經(jīng)金剛石切片機(jī)切割制作而成。

用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件，由帶切槽2的試件本體1和抵壓試件本體的壓頭3組成，所述試件本體1呈圓盤(pán)形，該圓盤(pán)形試件本體的半徑R＝60mm、厚度B＝24mm，位于其上的切槽2為四個(gè)形狀相同的切槽，分別位于本體相互垂直的兩直徑上，四個(gè)切槽均沿試件本體側(cè)面的厚度方向向試件本體中心線開(kāi)口、向本體內(nèi)部延伸并貫穿試件本體的上下端面，切槽的深度a＝36mm、切槽的寬度t＝1mm；所述壓頭3為四個(gè)直徑d均為10mm的鋼質(zhì)半球體，各壓頭以其平底面與試件本體端面平行的方式粘附在試件本體端面上，兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體一側(cè)端面同一直徑上，另兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體另一側(cè)端面同一直徑上，兩直徑相互垂直且分別與切槽所在兩直徑呈45°夾角，各壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離均為10mm，即壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離S均為50mm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件的結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，該試件本體由施工現(xiàn)場(chǎng)鉆取的圓柱形巖芯經(jīng)金剛石切片機(jī)切割制作而成。

用于巖石III型斷裂韌度測(cè)試的試件組件，由帶切槽2的試件本體1和抵壓試件本體的壓頭3組成，所述試件本體1呈圓盤(pán)形，該圓盤(pán)形試件本體的半徑R＝25mm、厚度B＝5mm，位于其上的切槽2為四個(gè)形狀相同的切槽，分別位于本體相互垂直的兩直徑上，四個(gè)切槽均沿試件本體側(cè)面的厚度方向向試件本體中心線開(kāi)口、向本體內(nèi)部延伸并貫穿試件本體的上下端面，切槽的深度a＝10mm、切槽的寬度t＝0.8mm；所述壓頭3為四個(gè)直徑d均為8mm的鋼質(zhì)半球體，各壓頭以其平底面與試件本體端面平行的方式粘附在試件本體端面上，兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體一側(cè)端面同一直徑上，另兩個(gè)壓頭對(duì)稱位于試件本體另一側(cè)端面同一直徑上，兩直徑相互垂直且分別與切槽所在兩直徑呈45°夾角，各壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離均為5mm，即壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離S均為20mm。

實(shí)施例4

本實(shí)施例中，采用實(shí)施例1所述試件組件配合萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖石的III型斷裂韌度，操作如下：

將實(shí)施例1所述試件組件水平放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作平臺(tái)上，使試件本體的上端面朝上、下端面朝下，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以位移控制的方式通過(guò)試件的壓頭對(duì)試件進(jìn)行加載直至試件本體失效，加載方向垂直于半球形壓頭的底面，控制加載速率使試件在30～60秒失效，加載示意圖如圖3所示，記錄試件本體的峰值失效荷載P_max，按式(I)計(jì)算巖石III型斷裂韌度K_IIIc，

式(I)中，S為任一壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到該壓頭所在試件本體端面圓心的距離，S＝R-壓頭與試件本體的接觸點(diǎn)到試件本體側(cè)面的垂直距離，a為切槽的深度，B和R分別為試件本體的厚度和半徑，Y為試件的幾何形狀系數(shù)，Y值利用有限元數(shù)值軟件計(jì)算得到。

利用有限元數(shù)值軟件計(jì)算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元數(shù)值計(jì)算軟件中，建立與試件本體成任一比例的試件本體的有限元數(shù)值模型，在試件本體的有限元數(shù)值模型上與試件本體加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置處施加任意荷載P，然后利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件輸出裂紋尖端的III型應(yīng)力強(qiáng)度因子K_III，通過(guò)式(II)計(jì)算得到Y(jié)值，

式(II)中，B′、R′、和a′為試件本體的有限元數(shù)值模型的幾何參數(shù)，與試件本體中B、R和a的物理意義相同，S′為試件本體的有限元數(shù)值模型中加載點(diǎn)到該加載點(diǎn)所在試件本體端面圓心的距離，與試件本體中S的物理意義相同，并且這些對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)之間均為同一比例。

對(duì)于本實(shí)施例，按照上述方法確定的Y值為1.113。

將Y、P_max、S、a、B和R的值代入式(I)中，即可計(jì)算得到巖石III型斷裂韌度K_IIIc＝Y(jié)P_maxS(πa)^0.5/(BR²)＝1.113P_max×45×(25π)^0.5/(10×50²)(單位：MPa·m^0.5)，此處計(jì)算中P_max以牛頓(N)為單位。