同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法
【專利摘要】本發明涉及一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法，旨在解決無法確定無尺寸效應的巖石真實斷裂韌性的技術難題。其主要步驟如下：選取試件高度W≤400mm的試件并得到其實測的峰值荷載Pmax，經過計算得到試件的名義強度σn；將試件的名義強度σn與等效裂縫長度ae再次計算，即可同時測定巖石材料的抗拉強度ft和斷裂韌度KIC。本發明簡單可行，試驗易操作，且具有足夠精度，且易判斷結果合理性。
【專利說明】
同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于巖土工程領域，特別是涉及一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂 韌度的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，進行巖石類材料的斷裂韌度測試試驗中，對試件型式、加載夾具、加載方式、 試驗系統等都有嚴格限制，使得巖石斷裂韌度的試驗試件制作和試驗測試相對較為復雜。 比如，美國材料與測試協會(ASTM)提出的單邊直裂紋三點彎曲梁試件；國際巖石力學協會 推薦采用三點彎曲圓棒試件、人字形切槽短圓棒試件、人字形切槽巴西圓盤試件等；以及其 他研究者提出的單邊切槽半圓盤三點彎曲試件、環形盤緊湊拉伸試件、單邊直裂縫四點彎 曲梁試件、邊切槽圓盤劈裂試件、平臺巴西圓盤試件、中心圓孔平臺巴西圓盤試件等等。
[0003] 根據美國ASTM E399規范，若滿足線彈性斷裂力學條件，測定無尺寸效應的材料斷 裂韌度，采用試件的厚度B，初始裂縫長度aQ，韌帶尺寸W-a Q均需滿足：
[0005] Kk為材料斷裂韌度，ft為材料的抗拉強度。則按ASTM的規定測定巖石的斷裂韌度， 試件高度W-般要達到300mm左右。而現有測定巖石斷裂韌度的所用試件尺寸一般都小于 ASTM規范要求，因此測定的斷裂韌度處于彈塑性斷裂條件下所得數據，而不是巖石類材料 的真實斷裂韌度。因此，如何由處于彈塑性斷裂條件下的小尺寸試件，來確定無尺寸效應的 巖石真實斷裂韌性，是亟待解決的科學難題。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法，本發 明簡單可行，試驗易操作，且具有足夠精度，且易判斷結果合理性。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0008] 設計一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法，選取試件高度 400mm的試件并得到其實測的峰值荷載Pmax，經過計算得到試件的名義強度 〇n;將試件的名 義強度〇n與等效裂縫長度ae帶入式（1)計算，即可同時測定巖石材料的抗拉強度f t和斷裂韌 度KIC
⑴.
[0010] 優選的，所述試件選取的方式有兩種，具體如下：
[0011] 1)采用具有相同初始縫高比a，但試件高度W不同的試件，試件高度W選擇3-5種變 化，每個試件高度W對應2-4個試件，其中試件的初始縫高比a = aQ/W在0.20-0.60區間離散 取值；
[0012] 2)采用具有相同試件高度W但初始裂縫長度ao不同的試件，試件初始縫高比選擇 4-6種變化，每個初始縫高比對應2-6個試件，其中試件的初始縫高比a = aQ/W在0.0、0.05、 0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80之間離 散取值。
[0013] 優選的，所述試件為三點彎曲梁試件、緊湊拉伸試件或楔入劈拉試件。
[0014] 優選的，當采用三點彎曲梁試件時，名義強度〇"和等效裂縫長度的計算方法如 下：
[0015] 1)基于試件的實測峰值荷載Pmax，由式(2)計算出試件的名義強度〇 n;
(2)
[0017] 式(2)中，= W-ao; W2 = WrcUx; W3 = Wi+cUx; W為試件高度;Pmax為試件實測的峰值 荷載;B為試件厚度;dmaxS試件的最大巖石顆粒粒徑；
[0018] 2)試件的等效裂縫長度ae由式(3)計算：
[0022] 當 L/W=8 時，Y(c〇 = 1 ? 106-1 ? 552a+7 ? 71a2-13 ? 53a3+14 ? 23a4;
[0023] 以上各式中，ao為試件的初始裂縫長度;a = aQ/W為初始縫高比;Y(a)為幾何影響參 數;L為試件有效長度;W為試件高度。
[0024]優選的，當采用緊湊拉伸試件或楔入劈拉試件時，其名義強度~和等效裂縫長度& 的計算方法如下：
[0025] 1)基于試件的實測峰值荷載Pmax，由式(4)計算出試件的名義強度〇n;
(4)
[0027] 式(4)中，W! = W-ao; W2 = Wi-cUx; W3 = Wi+cUx; W為試件高度;Pmax為試件實測的峰值 荷載;L為試件有效長度;B為試件厚度;dmaxS試件的最大巖石顆粒粒徑；
[0028] 2)試件的等效裂縫長度ae由式(5)計算：
[0030] 其中
[0031] 以上各式中，ao為試件的初始裂縫長度;a = aQ/W為初始縫高比;Y (a)為幾何影響參 數。
[0032]優選的，得到同種試件選擇方式的不同試件的〇n與~后，帶入式（1)進行回歸分析， 即可同時測定巖石試樣的抗拉強度ft與斷裂韌度KIC。
[0033]優選的，在壓力試驗機或者萬能試驗機上，按靜力加載試驗方法加載并至試件破 壞并得到每個試件實測的峰值荷載Pmax。
[0034]本發明與現有技術相比，具有如下優點：
[0035] 1)采用的試件尺寸不需滿足現有規范對于試件高度、厚度、初始裂縫長度等的嚴 格要求；
[0036] 2)-次測試即可同時確定巖石類材料的抗拉強度及斷裂韌度；
[0037] 3)對于試件初始裂紋ao的形成，只需采用切割機切縫，不需要預制裂縫。
【附圖說明】
[0038] 圖1為由實施例1中采用三點彎曲梁試件的試驗數據回歸確定巖石的抗拉強度與 斷裂韌度；
[0039] 其中圖1(a)表示的試件尺寸為：LXBXW= 120X25 X 30mm，采用圖1(b)表示的試 件尺寸為：LXBXW=240X50X60mm;
[0040]圖2為由實施例2中采用緊湊拉伸試件試驗數據回歸確定巖石的抗拉強度與斷裂 韌度。
【具體實施方式】
[0041 ]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。以下實施例中所使用的方法，如無特殊說明，均為本領域的常規方法， 所涉及的材料如無特別說明，均為市售材料。
[0042]實施例1: 一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法，包括如下步驟： 采用三點彎曲梁試件，試件的巖石顆粒最大粒徑dmax = 3mm，試件的選擇方式為:試件高度W 相同但初始裂縫長度ao不同，且試件的初始縫高比選擇4-6種變化，每個初始縫高比包括2-6個試件，采用切割機對試件切出不同的裂縫長度ao。
[0043] 本實施例中試件分為兩組，第一組試件尺寸為LXBXW=120X25 X60mm，初始縫 高比 a = a〇/W = 0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6;第二組試件尺寸為1\8\1=280\25\ 70mm,初始縫高比 a = a〇/W=0.0、0.10、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.75;
[0044] 首先在Instron5982型壓力試驗機上，按靜力加載試驗方法加載并至試件破壞，試 驗過程中記錄每個試件實測的峰值荷載P max。
[0045] 試件試驗完成后，基于每個試件的實測峰值荷載Pmax，由式(2)計算出每個試件的 名義強度〇n;由式(3)計算每個試件的等效裂縫長度au得到不同的 〇n與~后，帶入式（1)進 行回歸分析，即可同時得出巖石的抗拉強度ft與斷裂韌度KIC。
[0046] 其中，如圖1中（a)所示，第一組試件得到的巖石的抗拉強度ft = 8.14MPa，斷裂韌 度Kk= 1.63MPa ? mV2;第二組試件得到的巖石的抗拉強度ft = 8.67MPa，斷裂韌度KIC = 1.91MPa?m1/2。第一組與第二組試件的結果吻合良好，基本一致，表明本實施例1采用的方 法具有足夠的精度，且易判斷結果合理性。
[0047] 實施例2:-種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂韌度的方法，包括如下步驟： 采用緊湊拉伸試件型式，試件的巖石顆粒最大粒徑d max=1.3mm，試件具有相同初始縫高比a =&〇/1=0.5，不同試件高度1 = 58，100,200,300和400臟，每個試件高度1的選擇包括2-4個 試件。參見圖2,基于每個試件的實測峰值荷載P max，由式(4)計算出每個試件的名義強度〇n; 由式(5)計算每個試件的等效裂縫長度得到不同的 〇"與&(5后，帶入式（1)進行回歸分析， 即可同時得出巖石的抗拉強度ft=l〇.54MPa，斷裂韌度K IC = 1.69MPa ? m1/2。
【主權項】
1. 一種同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，選取試件高度W 《400mm的試件并得到其實測的峰值荷載Pmax,經過計算得到試件的名義強度On;將試件的 名義強度On與等效裂縫長度ae帶入式（1)計算，即可同時測定巖石材料的抗拉強度ft和斷裂 初度KiC(1)。2. 如權利要求1所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，所 述試件選取的方式有兩種，具體如下： 1) 采用具有相同初始縫高比〇,但試件高度W不同的試件，試件高度W選擇3-5種變化，每 個試件高度W對應2-4個試件，其中試件的初始縫高比a = ao/W在0.20-0.60區間取值； 2) 采用具有相同試件高度W但初始裂縫長度ao不同的試件，試件初始縫高比選擇4-6種 變化，每個初始縫高比對應2-6個試件，其中試件的初始縫高比a = ao/W為0.0、0.05、0.10、 0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.70、0.75或0.80。3. 如權利要求2所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，所 述試件為=點彎曲梁試件、緊湊拉伸試件或模入劈拉試件。4. 如權利要求3所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，當 采用=點彎曲梁試件時，名義強度On和等效裂縫長度ae的計算方法如下： 1)基于試件的實測峰值荷載Pmax,由式(2)計算出試件的名義強度曰n;巧) 式(2 )中，Wl = w-ao; W2 = W廣cUx ; W3 = Wl+cUx ; W為試件高度;Pmax為試件實測的峰值荷載； B為試件厚度;dmax為試件的最大巖石顆粒粒徑；2 )試件的望'汾效縫麼a。由^ n W+省；. (3) 當 L/W=; 當 L/W=4 當 L/W=8時，Y(a) = 1.106-1.55 化巧.710^13.53〇3+14.23口4; W上各式中，a日為試件的初始裂縫長度;a = a日/W為初始縫高比;Y(Q)為幾何影響參數;L 為試件有效長度;W為試件高度。5. 如權利要求3所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，當 采用緊湊拉伸試件或模入劈拉試件時，其名義強度On和等效裂縫長度ae的計算方法如下： (4) 1) 基于試件的實測峰值荷載Pmax，由式(4)計算出試件的名義強度曰n;吉..... , , _______高度;Pmax為試件實測的峰值荷載； L為試件有效長度;B為試件厚度;Clmax為試件的最大巖石顆粒粒徑； 2) 試件的等效裂縫長度ae由式巧)計算： 其中，W上各式中，a日為試件的初始裂縫長度;a = a日/W為初始縫高比;Y(Q)為幾何影響參數。6. 如權利4或5所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征在于，得 到同種試件選擇方式的不同試件的On與ae后，帶入式（1)進行回歸分析，即可同時測定巖石 試樣的抗拉強度ft與斷裂初度Kic。7. 如權利要求1-5任一所述同時測定巖石材料的抗拉強度與斷裂初度的方法，其特征 在于，在壓力試驗機或者萬能試驗機上，按靜力加載試驗方法加載并至試件破壞并得到每 個試件實測的峰值荷載Pmax。
【文檔編號】G01N3/20GK105910899SQ201610231363
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】管俊峰, 王玉鎖, 胡曉智, 姚賢華, 白衛峰, 謝超鵬, 王強, 趙順波
【申請人】華北水利水電大學