岩石Ⅰ型断裂韧度测试方法研究进展

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.本文综述了国内外岩石Ⅰ型断裂韧度测试方法,着重介绍了美国材料与测试协会(ASTM)和国际岩石力学协会(ISRM)提出的建议测试方法及其研究进展;对比了不同测试方法获得的岩石Ⅰ型断裂韧度值之间的差异,并分析了产生这种差异的原因;指出了岩石断裂韧度测试方法中有待于进一步研究的问题.

岩石Ⅰ型断裂韧度估算及其影响因素分析

岩石的I型断裂韧度K_(IC)与抗压强度σ_c之间存在相关性,可根据二者之间的经验关系通过σ_c估算岩石的K_(IC)值,但其估算结果会因测试方法和岩性的不同而有所差异。为了获得更合理准确的岩石K_(IC)估算值,在试验数据统计回归的基础上,建立了不同K_(IC)测试方法和岩性条件下的K_(IC)与σ_c经验关系,并分析了其差异和适用性。结果表明,4种K_(IC)推荐测试方法均可获得良好的K_(IC)与σ_c线性关系,但差异明显,建议使用"V"形切槽巴西圆盘(CCNBD)方法所得经验关系估算岩石的K_(IC)值;结果还表明,利用经验关系估算K_(IC)值的方法更适用于均质各向同性岩石。需要说明的是,估算方法并不能代替实验室测试,并且通过实验室测试建立经验关系是间接获取K_(IC)值的必要前提。

Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对Ⅰ型断裂韧度KIc试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型(FJM3D)研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的Ⅰ型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根R1/2、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径dmax/dmin。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例φs、黏结抗拉强度σb、黏结内聚力cb、摩擦系数μ和摩擦角φ。参数敏感性分析结果表明,KIc与R1/2、CN及σb正相关,与dmax/dmin、φs负相关,而与Ψ、cb、μ和φ无明显的线性关系,此外为获得较低的KIc波动水平,给出了参数Ψ和dmax/dmin的建议范围。根据参数敏感性分析结果,校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘(SCB)和人字形切槽半圆盘(CCNSCB)试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制,得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。

基于强度参数脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度评价

在试验数据收集基础上,选取3种典型强度脆性指数作为考察对象,建立Ⅰ型断裂韧度与脆性指数之间的线性关系,得到基于不同脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度参数化模型。通过引入交叉验证法获得准确的模型参数,并对模拟结果进行检验,评价各模型的适用性和相互之间的差异。结果表明:3种评价模型在评价和预测岩石Ⅰ型断裂韧度上均有很强的可靠性,可以借助脆性指数评价岩石的Ⅰ型断裂韧度;3种模型的评价和预测精度存在一定差异,总体来看,基于莫尔圆脆性指数的评价模型优于压拉强度脆性指数评价模型和抗压强度脆性指数评价模型,从而证明Ⅰ型断裂韧度是岩石综合力学性质的体现,利用多强度指标建立评价模型将会获得更准确、合理的Ⅰ型断裂韧度值;由于抗压强度获取便捷,利用其建立的评价模型也具有较高的评价精度,在要求快速评价时,可优先考虑选择基于抗压强度脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度评价模型。

化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度及其强度参数相关性的研究

以三峡库区典型的库岸边坡消落带节理砂岩体的实际赋存环境为背景,采用在砂岩中预制Ⅰ型裂隙的方法来模拟节理岩体,根据工程实际设计饱水-风干循环试验方案,研究了浸泡在不同化学溶液中的Ⅰ型裂纹砂岩在干湿循环作用下的力学特性及损伤劣化机理,分析了经不同化学溶液和干湿循环作用后试样的物理力学特性随干湿循环次数的劣化规律。研究结果表明:化学溶液和干湿循环作用后砂岩试样呈现出明显的弱化趋势;试验初期,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度最小,但随着干湿循环次数的增加,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度逐渐加剧,仍小于酸性溶液下的,但大于中性溶液下的。化学干湿循环作用后,砂岩试样各力学特征的损伤劣化程度存在明显的差异,其中断裂韧度KIC的劣化程度较大,抗拉强度居中,而抗压强度最小。化学干湿循环作用后砂岩的断裂韧度与抗压强度、抗拉强度间存在明显的线性关系。砂岩各力学特征的劣化程度与其相应的化学溶液中溶出离子浓度的大小、试样物理参数的劣化程度之间具有某一对应关系,同时,得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量和钙镁离子浓度之间统计上的关联关系。并且,可以利用不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样的裂纹扩展半径来间接说明其力学特征发生损伤的劣化程度。

成型工艺对复合材料Ⅰ型断裂韧度的影响

采用双悬臂梁试验和假设检验的方法,对比分析了两种不同成型工艺对复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的影响,并采用有限元模型对这一过程进行了模拟。研究表明:硅橡胶软模成型试验件的Ⅰ型断裂韧度均值略高于金属硬模成型试验件;而两种工艺试验件的Ⅰ型断裂韧度方差不存在显著差异,且两种工艺成型的试验件的裂纹扩展过程相似。在试验的基础上建立了有限元模型,对裂纹扩展过程进行了模拟,与试验结果吻合良好,可以有效地预测裂纹扩展过程。

压实黏土Ⅰ型断裂韧度与抗压强度试验研究

无论在工程中还是在自然界中,黏土多处于受压状态,压剪破坏是最常见的破坏模式。因此,对压实黏土的Ⅰ型断裂韧度与抗压强度的研究对工程结构设计具有重要意义。采用无侧限抗压强度试验和改进后的三点弯曲试验对不同含水率条件下的压实黏土进行试验研究。研究结果表明:在三点弯曲试验中,压实黏土的预制裂缝长度需控制在15~30 mm才能真实反映土体的Ⅰ型断裂韧度值;压实黏土的Ⅰ型断裂韧度和无侧限抗压强度均随含水率的增加呈现先增大后降低的趋势,保证压实土体在最优含水率时施工能最大化发挥土体的抗压和抗断裂能力;不同含水率条件下,压实土体的Ⅰ型断裂韧度和无侧限抗压强度具有较好的线性相关性。

变质砂板岩Ⅰ型断裂韧度各向异性初探

Ⅰ型断裂韧度是岩石的主要特征力学参数,且影响因素很多。目前,国内可查的细观层理对岩石Ⅰ型断裂韧度影响的相关研究较少。试验利用隧道开挖中的变质砂板岩,测试了横向、纵向和无细观层理砂板岩纵波波速,并采用三点弯曲圆梁方法研究了相应砂板岩试件的Ⅰ型断裂力学性质。试验表明KIC、断裂破坏挠度、细观层理和纵波波速间存在相关关系,根据试验成果提出各向异性系数Y的概念,利用各向异性系数Y计算的K IC值与实测的相应试件KIC符合较好。

温度对不同孔隙砂岩Ⅰ型断裂韧度影响的试验研究

高温岩石力学特性是煤炭地下气化等岩石工程围岩稳定分析和支护设计的重要依据。为揭示高温后岩石断裂特性,对两组不同孔隙率砂岩进行高温(25~800℃)处理,采用图像处理技术获得砂岩热裂纹分布特征,探究高温后砂岩微裂纹面积比演化规律;对高温后砂岩进行三点弯曲试验,分析高温对砂岩载荷-位移曲线、Ⅰ型断裂韧度及破裂模式的影响规律。结果表明:高温后砂岩微裂纹面积比随温度升高呈先减小后增大趋势,较高孔隙率C组砂岩微裂纹面积比更大;相同温度条件下,A组砂岩Ⅰ型断裂韧度高于C组砂岩;随着温度的升高,两组砂岩Ⅰ型断裂韧度均先增大后减小,阈值温度分别为200℃和400℃;三点弯曲作用下,从预制裂隙尖端萌生的裂纹扩展导致砂岩试样破坏,且温度越高,砂岩破坏程度越明显。

击实水泥土Ⅰ型断裂特性试验研究

为研究水泥土断裂性能,采用直裂缝半圆弯曲(NSCB)试样,对水泥土开展Ⅰ型断裂试验,研究裂缝长度、水泥掺量和养护龄期对水泥土断裂韧度和断裂能的影响。结果表明:(1)在水泥土NSCB试样直径D=150 mm下,裂缝长径比a/R=0.4和0.5比较合理;随着a/R的增大,峰值位移和峰值荷载逐渐减小,断裂韧度呈减小趋势;断裂能与a/R呈二次函数关系;(2)随着水泥掺量的增加,峰值位移逐渐减少,最后趋于水平,而峰值荷载逐渐增大,试样破坏时呈典型的脆性破坏;断裂能与掺量呈二次函数增加关系,断裂韧度与掺量呈线性增加关系;(3)随着养护龄期的增加,峰值荷载与峰值位移逐渐增大;断裂能、断裂韧度均与养护龄期呈二次函数增加关系。与纯黏土相比,水泥土的断裂性能显著增强。

热塑性树脂含量对CCF800H碳纤维环氧复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的影响

采用国产CCF800H高强中模碳纤维增强环氧制备了复合材料,研究不同热塑性树脂含量对复合材料张开(Ⅰ)型层间断裂韧度的影响,研究表明:随着热塑组分含量的提高,复合材料的裂纹起始应变能量释放率(GⅠC-init)与裂纹稳态扩展应变能量释放率(GⅠC-prop)都获得了大幅度提升,在增韧组分质量分数大于20%时,增韧聚芳醚酰亚胺粉体可在复合材料层间富集形成层间高韧区,并在复合材料层间形成了由"连续相"和"分散相"组成的层间增韧结构。

水岩作用下砂岩断裂韧度及抗拉强度的试验研究

为了解在考虑时间效应的水岩作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水变幅带砂岩为研究对象,设计紧凑的实验方案,对周期性饱水-风干循环状态和长期饱水状态下的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验.试验结果表明:在水岩作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且随着浸泡时间的增加,软化效应呈先增大后稳定的趋势.同时,在同一周期内砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度有相近的软化系数,契合岩石的抗拉强度和断裂韧度存在较好的相关性.最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与试验数据的比较,验证了公式的可行性.研究成果对水岩作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关性有一定的参考价值,为通过砂岩抗拉强度预测估算断裂韧度提供了便利,同时也可为其他类型岩石的相关研究提供参考.

饱水-风干作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度研究

为了解考虑时间效应的饱水-风干循环作用时砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水位变幅带砂岩为研究对象,对周期性饱水-风干循环状态的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验。试验结果表明:在饱水风干循环作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且试验前期砂岩强度软化效应较大,后期趋于稳定。同时,在同一时间周期内,砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度具有相近的软化系数。最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与相关其他试验成果的比较,验证了公式的可靠性。

循环湿热老化对T700/TDE86碳纤维复合材料层间断裂韧度的影响

对 T700/TDE86 碳纤维增强树脂基复合材料进行加速循环湿热老化实验,研究不同循环湿热老化天数对Ⅰ型张开以及Ⅱ型滑移两种层间断裂韧度的影响。结果表明:循环湿热老化之后的复合材料Ⅰ型层间断裂韧度出现明显的 R 曲线,且随着循环湿热老化天数的增加,裂纹初始扩展能量释放率(GIC,init)与裂纹稳态扩展能量释放率(GIC,prop)都获得了大幅提升;复合材料Ⅱ型层间断裂韧度随着循环湿热老化天数的增加,呈现阶梯状下降的趋势,而且在循环湿热老化前期,下降幅度最大,为 21.68%。

热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响,使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率,对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验,并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明:随着试样温度和冷却速率的提升,试样的干密度和纵波波速显著下降,试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降,尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^(0.5)/s时下降尤为明显。

SCB试验测试固井水泥断裂力学性能

为了给深部煤层气井固井材料优化、井筒环空结构耐久性提升及封隔能力科学评价预测提供理论依据,利用半圆盘三点弯曲加载(SCB)试验对煤层气井用常规固井水泥(PC)与纤维固井水泥(FC)试样在干燥态、净水及矿化水浸泡条件下的断裂力学性质进行了分析。研究结果表明:①加载位移—载荷曲线与试样断裂速率显示,PC试样断裂形式为脆性断裂,而FC试样呈现类似金属的韧性断裂特征,同等条件下PC试样断裂速率约为FC试样的10倍;②干燥、净水及矿化水浸泡下,PC试样断裂韧度分别为0.53 MPa·m^(0.5)、0.36 MPa·m^(0.5)、0.40 MPa·m^(0.5),FC试样断裂韧度分别为0.49 MPa·m^(0.5)、0.35 MPa·m^(0.5)、0.39 MPa·m^(0.5);③材料断裂能量耗散计算结果显示,相同环境介质条件下FC受压断裂全程耗能为PC的20~30倍;④干燥状态下固井水泥试样优选矿物晶界部位开裂,因而试样断口粗糙或断裂路径曲折,而净水及矿化水浸泡环境下固井水泥试样多沿矿物溶蚀缺陷断裂从而易形成平直裂缝。结论认为,刚度效应与应力集中效应是导致PC断裂韧度略高于FC的关键机制,FC中的纤维通过拉拽和应变协调机制使试样均匀分担外部载荷,从而起到很好的能量分散和载荷缓冲效果,FC表现出的能量耗散性能值得深部煤层气井固井材料优化关注,水的软化作用对于固井水泥材料断裂力学性质的影响非常显著。

微扰动作用下预静载硬岩的断裂特性研究

为了研究预静载条件下硬岩在微扰动作用下的断裂特性变化规律,采用花岗岩制作中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,利用圆弧形加载方式,进行硬岩在平行于预制裂纹方向的预静载荷和微扰动载荷的组合作用下的断裂特性研究。设定预静载荷水平为常规准静态断裂载荷的90%,设定微扰动载荷幅值为常规断裂载荷值的10%,下限为常规断裂载荷的80%,上限为常规断裂载荷值。扰动频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、50 Hz和70 Hz。研究结果表明:在预静载加载段,岩石试样内部沿预制裂纹方向新的裂纹已经产生发展,并且裂纹扩展的速度随着载荷的增大而增大;在扰动载荷加载段,随着扰动次数的增加,裂纹扩展的速度越来越慢,岩石损伤程度逐渐积累;在断裂破坏段,岩石损伤程度超过了承受极限,裂纹贯穿沿预制裂纹方向贯穿试样,岩石断裂破坏;在预静载作用下,试样已经处于临界失稳状态,扰动作用会诱发试样的断裂失稳破坏,扰动频率超过10 Hz后,减韧效应随着扰动频率的提高并不明显,扰动使得试样的总体变形量有减小的趋势。

层理角度对砂岩力学特性及断裂破坏规律影响研究

为探究不同层理角度下砂岩的力学特性以及裂纹扩展规律,对五种层理角度砂岩试样进行抗压强度和抗拉强度测试,并采用半圆盘试样进行Ⅰ型断裂韧度测试,获得其破坏荷载,借助有限元分析软件计算其断裂韧度,研究层理角度对砂岩力学特性的影响。研究表明:层理角度对砂岩抗压强度、弹性模量以及抗拉强度的影响非常显著,且随着层理角度的增加,其断裂韧度呈逐渐减小的趋势。裂纹的扩展路径分析结果表明,层理角度为0°和30°的试件破坏状态受层理面影响较小;当层理角度大于45°时,试样破坏主要受层理角度影响,其破坏路径沿层理角度方向扩展。研究结果为层理角度对砂岩断裂破坏和裂纹扩展路径的影响提供了新的思路。

不同预制裂缝方法及长度对岩石三点弯曲试验的影响

为选择岩石三点弯曲试验合适的预制裂缝方法和裂缝长度以获得相对准确可靠的岩石I型断裂韧度KIC,并了解岩石三点弯曲宏观断裂过程和细观断裂特征,采用线切割、锯片切割和水刀切割3种方法预制花岗岩和大理岩三点弯曲梁试样直切槽裂缝,以研究不同预制裂缝方法对岩石KIC的影响,结合场发射扫描电镜比较了不同切割方法岩样的细观断裂特征,试验结果表明线切割方法对岩石KIC测试结果的影响最小。另对含无量纲裂缝长度0.1、0.2、0.3、0.4和0.5的花岗岩及大理岩试样进行试验测得岩石KIC随裂缝长度增加呈先增大后减小的趋势,建议使用a=0.3的裂缝长度进行试验以得到有代表性的岩石KIC值。岩样破坏宏观上经历变形局部化带萌生、局部化带发展、裂纹起裂、最终扩展断裂的过程,声发射过程显示岩样破坏的脆性特征明显,裂缝开口位移与声发射累计曲线趋势一致,可视为试样内部破坏发展过程的宏观表征。

基于直裂纹半圆三点弯曲试验的煤样断裂特性研究

为研究煤的变形断裂特性,采用三点弯曲测试法对3组预裂半圆盘煤样开展Ⅰ型断裂试验,探讨了Ⅰ型断裂韧度与单轴抗压强度、单轴抗拉强度以及弹性模量的相关性,得到了煤样三点弯曲试验中的载荷位移特征,利用非接触全场应变测量系统监测分析了煤样变形破坏过程中的应变场演化规律与断裂过程。试验结果表明:3组煤样的Ⅰ型断裂韧度分布在0.14~0.29 MPa·m,煤样断裂裂纹均从预制裂纹顶端起裂,扩展路径近似为直线,呈典型的张拉破坏形式。煤样的Ⅰ型断裂韧度与其弹性模量和单轴抗拉强度正相关,线性关系式分别为:E=10.47K和σ=5.48K,相关性系数R~2分别达到0.99和0.97。煤样的变形破坏过程可分为压密阶段、弹性变形阶段、弯曲变形阶段、抵抗裂纹产生阶段和破坏后阶段。弯曲变形与抵抗裂纹产生阶段是能够表征煤样断裂特性的重要阶段,抵抗裂纹产生阶段载荷的差值直观反映了煤样Ⅰ型断裂韧度的大小。弯曲变形阶段前,水平应力主要集中在直裂纹两侧;进入弯曲变形阶段后,直裂纹顶端出现应力集中并逐步向上发展;进入抵抗裂纹产生阶段后,应力集中程度与范围快速增大,逐步形成张拉裂纹的潜在轮廓与路径,煤样断裂瞬间应变率呈显著的非线性增长特征。