岩石Ⅰ/Ⅱ复合断裂韧度测试的单边切槽深梁试件:数值分析与标定

提出一种用于岩石材料I/II复合断裂韧度测试的新试件——单边切槽深梁(SENDB)试件,使用有限元法对新试件I(II)型无量纲应力强度因子YI(YII)及无量纲T应力T*进行系统研究和数值标定。研究结果证实SENDB试件可方便地通过调整裂纹倾角?、裂缝长度a和支座间距2S实现从纯I型到纯II型任意I/II复合度荷载作用下的岩石断裂韧度测试。与现有弯曲类试件对比分析表明:(1)SENDB试件与经典的单边切槽梁(SENB)试件在几何尺寸和岩石复合断裂韧度测试方法上存在显著差异,SENDB试件是通过调整裂缝倾角实现复合加载,而SENB则是通过移动裂缝位置(无法实现纯II型加载)或四点弯曲试验(加载装置复杂)实现复合加载;(2)因可方便地加工系列尺寸(包括大尺寸)的试件,新构形相比圆盘类试件在尺寸效应研究方面略有优势;(3)与国外学者新近提出的ECT试件相比,SENDB试件可选择的量纲一的裂缝长度和量纲一的支座间距范围要更宽泛;(4)为了实现从纯I型到纯II型整个区间的复合断裂测试,对SENDB,SCB和ECT三种试件,均应使用较小的支座间距或较长的裂缝。

基于SENDB试样的砂岩复合脆性断裂行为研究

基于岩石裂缝多为三维的事实,对不同裂缝长度和支座间距组合下的单边切槽深梁(SENDB)试样3个形状因子(即量纲一化的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子、量纲一化的T应力)进行三维标定,并与已有的二维数值标定结果进行细致对比,相关结果为科学使用SENDB试样开展岩石复合断裂韧度测试,讨论试件厚度对岩石复合断裂韧度计算的影响等奠定了基础。结果表明,由三维模型获得的几何因子相比二维模型所得结果更大,故使用二维计算结果确定的断裂韧度将比实际值小,对水力压裂这类"造缝"岩石工程设计可能带来不利影响。最后,基于SENDB试样开展从纯Ⅰ型到纯Ⅱ型的砂岩复合断裂韧度测试,并利用广义最大周向应力(GMTS)准则从理论上研究SENDB砂岩试样裂纹尖端的三维微破裂区与载荷复合度的关系。研究表明,随着裂缝倾角b的增加,由最大周向应力确定的微破裂区范围从中间大两头小变为中间小两头大;其次,裂纹在扩展方向上的临界微破裂区并非GMTS准则所采用的不变量r0=(2π)-1(KIc/st)2;更为关键的是,纯Ⅰ型裂纹和纯Ⅱ型裂纹对应的临界微破裂区半径并不相等,进而从根本上否定了GMTS准则的理论假定,相关结果为合理使用GMTS准则提供了参考并指明了GMTS准则的改进方向。