基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究

为研究试样不同尺寸和加载速率对岩石Ⅰ型断裂韧度试验值的影响,采用石灰岩制作圆盘直径30,50,75,100,150 mm 5种几何相似的中心直裂纹半圆盘试样(notched semi-circular bend,NSCB),在RMT-150B岩石力学试验系统上对NSCB试样进行5种加载速率(0.002,0.02,0.2,2,10 kN/s)作用下的三点弯曲试验。结果表明:在试样尺寸一定条件下,试样的断裂韧度试验值随着加载速率的增加基本呈对数增大,在加载速率一定条件下,存在一个临界尺寸(圆盘直径50 mm),小于这个临界尺寸时,断裂韧度试验值增加幅度较大,大于这个临界尺寸时,试验值增加幅度较小,且基本呈线性增加。探讨了产生加载率和尺寸效应的原因,对于深入分析岩石断裂特性和准确确定岩石断裂韧度有一定意义。

中心直裂纹半圆盘试样的石灰岩断裂韧度尺寸效应试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用4种圆盘半径分别为25.0、37.5、50.0、75.0 mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的"脆性"破坏特征。与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-位移曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而加剧;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5 mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。

用两种ISRM推荐圆盘试样测试岩石断裂韧度的试验研究

采用国际岩石力学协会推荐的人字型切槽巴西圆盘试样(CCNBD)和中心直裂纹三点弯曲试样(NSCB),在RMT-150B试验机上进行了劈裂加载试验,结合声发射仪对比分析了不同尺寸试样的载荷-位移曲线、破坏形态和断裂韧度测试值的差异。结果表明:CCNBD试样的载荷-位移曲线可能出现二次倒拐现象,NSCB试样的载荷-位移曲线峰后直接跌落;两种试样破坏过程中的振铃计数和能量与时间的变化过程与载荷-时间曲线完全对应;NSCB试样测得的大理岩断裂韧度平均值比CCNBD试样测试值偏高4%左右,但试样尺寸较大时,偏高程度更为明显;两种试样都是劈裂加载破坏形式,CCNBD试样在端部可能出现偏离加载直径方向的破坏形式,本研究结果有助于进一步完善和推广ISRM测试岩石断裂韧度的建议方法。

Ⅰ型静态断裂韧度与破碎后新增表面积关系试验研究

为研究煤岩Ⅰ型静态断裂韧度与研磨破碎后新增表面积的关系,采用中心直裂纹半圆盘试样(NSCB)和1~2mm/0.425~1mm粒径试样进行三点弯曲试验和研磨破碎试验,运用断裂力学及岩石破碎学,从理论分析和室内试验两个方面研究二者之间的关系。理论分析表明:断裂韧度的二次方与研磨破碎后新增表面积的倒数成正比;再以试验数据为依据进行拟合,结果表明:1~2 mm/0.425~1 mm粒径试样研磨破碎后,断裂韧度的二次方与新增表面积的倒数均呈很好的正比关系,其相关系数R2分别为0.974和0.878,说明可以用易于计算的破碎后新增表面积来估算煤的断裂韧度,进而获其表面能,这不仅为煤的断裂韧度测定提供一种新的试验方法,也为更深一步理解突出过程中的能量耗散提供试验依据。