一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具及测试方法

本发明涉及土木与水利工程技术领域，具体为一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具及测试方法。

背景技术：

随着社会经济的快速发展，对于岩石的断裂韧性已经发展了多种方法进行测试，但大多都仅限于脆性岩石，对于准脆岩石如热损伤岩石等，由于裂纹尖端断裂过程区的存在，直接计算的断裂韧性往往存在明显的尺寸效应，人们提出了尺寸效应模型(sel)来计算真实断裂韧性kic和断裂过程区；由于断裂过程区的影响，表观断裂韧性kif与真实断裂韧性kic往往存在较大的差别，并且随着试件尺寸的减小和等效断裂过程区长度的增加这种差别越来越大(如附图8所示)，这意味着如采用小尺寸试件往往会引起较大的误差，因此对于准脆性岩石，应采用尺寸效应模型(sel)分析。

但是，现有的具有较大断裂过程区的热损伤岩石测试尺寸效应参数时需要加工大比例范围的试件；因此，不满足现有的需求，对此我们提出了一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具及测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具及测试方法，以解决上述背景技术中提出的现有的具有较大断裂过程区的热损伤岩石测试尺寸效应参数时需要加工大比例范围的试件等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具，包括岩心套，所述岩心套的内侧安装有测试试件主体，所述测试试件主体底端的内侧设置有切缝，所述岩心套的两侧均安装有弧形连接夹持架，所述弧形连接夹持架的一侧安装有夹持梁体，所述夹持梁体一端的内侧设置有十个连接螺栓，所述夹持梁体与弧形连接夹持架通过连接螺栓连接固定。

优选的，所述测试试件主体的材质为岩石，所述岩心套和测试试件主体的长度尺寸均分为三种，所述岩心套和测试试件主体的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm。

优选的，所述切缝的长度尺寸分为三种，所述切缝的三种长度尺寸分别为60mm、30mm和15mm，所述测试试件主体的直径尺寸为50mm。

优选的，所述岩心套的内壁与测试试件主体的外表面均设置有高强度结构胶，所述岩心套与测试试件主体通过高强度结构胶粘接固定。

优选的，所述弧形连接夹持架的一侧设置有夹持弧形槽，所述岩心套设置在夹持弧形槽的内侧，两个所述弧形连接夹持架通过岩心套连接。

与现有技术相比，本发明的准脆材料尺寸效应参数测试用夹具的有益效果是：

本发明通过使用夹具对岩体进行装夹，便于实现对不同长度尺寸的岩心进行固定，且装夹操作方便，固定效果好。

一种热损伤岩石效应参数测试方法，所述热损伤岩石效应参数测试方法包括以下步骤：

(a)钻取岩心材料得到三种尺寸的测试试件主体，将测试试件主体进行初步加工，具体为使用打磨机对测试试件主体的外表面进行打磨切割，确保测试试件主体的外观尺寸符合测试要求；

(b)测试试件主体的长度尺寸分为三种，测试试件主体的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm，根据测试试件主体的长度尺寸对切缝的尺寸进行确定，其中切缝的三种长度尺寸分别为60mm、30mm和15mm，使得切缝的长度尺寸为测试试件主体的长度尺寸的0.3倍，使用合金刀片对测试试件主体的底端沿着直径进行垂直切割作业；

(c)将夹持梁体与弧形连接夹持架通过连接螺栓连接固定，在连接螺栓的外表面涂覆有防锈液，在弧形连接夹持架的一侧设置有夹持弧形槽，岩心套设置在夹持弧形槽的内侧，在岩心套的内壁与测试试件主体的外表面均设置有高强度结构胶，将相同尺寸的岩心套与测试试件主体通过高强度结构胶粘接固定，并通过两个弧形连接夹持架对岩心套进行固定夹持操作；

(d)在测试试件主体的下端面放置有支撑平台，进而通过压力试验机采用三点弯曲法对岩心套的上端面进行外部载荷的施加，外载荷施加过程中应缓慢且均匀，确保测试试件主体在受力过程中的垂直稳定，避免受到快速冲击造成测试结果不准确；

(e)记录三种组合试件的加载曲线及最大压力值pmax，根据公式(1)计算kif；根据公式(2)采用最小二乘法拟合线性公式(3)计算尺寸效应参数kic和cf；

α＝a/d；

a-裂纹长度，a0-初始裂纹长度，cn-形状系数，t-厚度，d-试样高度，

p-载荷，e-弹性模量，gf-初始断裂能，cf-等效断裂过程区长度，与试件几何形状相关的形式函数；

对于三点弯曲梁

对于本发明，几何形状因子如下：

kif-表观断裂韧性值，基于线弹性断裂力学测定的参数，也是大多数标准方法获取的参数；

kic-无尺寸效应断裂韧性值，g(α)和g′(α)-与试件几何形状相关的形式函数；

优选的，所述步骤(b)中测试试件主体与切缝的三种长度尺寸比例均为10:3。

优选的，所述步骤(d)中的压力试验机为电液伺服压力试验机。

优选的，所述夹持梁体与弧形连接夹持架的高度尺寸分为三种，所述夹持梁体与弧形连接夹持架的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm。

优选的，所述步骤(e)中相同试验试件形状及大小范围，尺寸效应参数的误差主要取决于试验次数，假设断裂韧性值符合正态分布，即单次测量存在一定的误差，并假设其变异系数为0.1，因此n测试获得的断裂韧性值平均值的变异系数为因此随着测试次数的增加，相对误差会越来越小；根据线性拟合误差分析法，可以给出试验次数n与尺寸效应参数的误差的关系如附图6和附图7所示；

所述结果表明，断裂韧性kic的变异系数wkic相对断裂过程区长度cf的变异系数wcf要小。对于cf小于20mm的材料，每组最多取十五个试样即可保证kic的相对误差小于10％，可以满足工程应用。但也观察到如果要准确测定cf还是比较困难，这是由于cf与几何因子函数的导函数有关。该预估方法只考虑了最大最小尺寸的试件，没有考虑中间尺寸的试件，因此该结果偏于保守；

所述在实际使用时可先取较少的试件数进行测试，根据结果和要求的精度来增加试件数量，对于一般的岩土工程，推荐的每组试件的岩心应准备十五个即可满足需求；

所述本发明不仅可以测试热损伤岩石，对其他准脆材料如砂岩、页岩、混凝土等材料同样适用。

与现有技术相比，本发明的测试方法的有益效果是：

本发明通过对三种不同长度尺寸的岩体进行装夹和安装，有效降低尺寸效应参数的试件加工的难度，且便于夹持固定，测试条件保持一致，有效提高测试结果的准确性和实用性。

附图说明

图1为本发明夹具的结构示意图；

图2为本发明弧形连接夹持架的局部结构示意图；

图3为本发明测试试件主体的局部结构示意图；

图4为本发明测试试件主体的受力示意图；

图5为本发明测试方法的流程图；

图6为本发明断裂韧性的误差参数图；

图7为本发明等效断裂过程区长度的误差参数图；

图8为本发明尺寸效应的规律图；

图9为本发明夹具的尺寸示意图。

图中：1、夹持梁体；2、弧形连接夹持架；3、连接螺栓；4、测试试件主体；5、切缝；6、岩心套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1至图9，本发明提供的一种实施例：一种热损伤岩石尺寸效应参数测试用夹具，包括岩心套6，岩心套6的内侧安装有测试试件主体4，对测试试件主体4的尺寸进行精确控制，便于提高测试结果的准确，测试试件主体4底端的内侧设置有切缝5，通过对切缝5进行加工，便于扩大测试结果的参数变化，岩心套6的两侧均安装有弧形连接夹持架2，弧形连接夹持架2的一侧安装有夹持梁体1，夹持梁体1一端的内侧设置有十个连接螺栓3，夹持梁体1与弧形连接夹持架2通过连接螺栓3连接固定，整体通过对三种不同长度尺寸的岩体进行尺寸效应参数的测试，且便于夹持固定，测试条件保持一致，有效提高测试结果的准确性。

进一步，测试试件主体4的材质为岩石，岩心套6和测试试件主体4的长度尺寸均分为三种，岩心套6和测试试件主体4的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm，对测试试件主体4的尺寸进行精确控制，便于提高测试结果的准确。

进一步，切缝5的长度尺寸分为三种，切缝5的三种长度尺寸分别为60mm、30mm和15mm，测试试件主体4的直径尺寸为50mm，通过对切缝5进行加工，便于扩大测试结果的参数变化。

进一步，岩心套6的内壁与测试试件主体4的外表面均设置有高强度结构胶，岩心套6与测试试件主体4通过高强度结构胶粘接固定，便于通过岩心套6对测试试件主体4进行对应安装。

进一步，弧形连接夹持架2的一侧设置有夹持弧形槽，岩心套6设置在夹持弧形槽的内侧，两个弧形连接夹持架2通过岩心套6连接，通过岩心套6便于对岩石进行装夹安装。

一种热损伤岩石效应参数测试方法，热损伤岩石效应参数测试方法包括以下步骤：

(a)钻取岩心材料得到三种尺寸的测试试件主体4，将测试试件主体4进行初步加工，具体为使用打磨机对测试试件主体4的外表面进行打磨切割，确保测试试件主体4的外观尺寸符合测试要求；

(b)测试试件主体4的长度尺寸分为三种，测试试件主体4的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm，根据测试试件主体4的长度尺寸对切缝5的尺寸进行确定，其中切缝5的三种长度尺寸分别为60mm、30mm和15mm，使得切缝5的长度尺寸为测试试件主体4的长度尺寸的0.3倍，使用合金刀片对测试试件主体4的底端沿着直径进行垂直切割作业；

(c)将夹持梁体1与弧形连接夹持架2通过连接螺栓3连接固定，在连接螺栓3的外表面涂覆有防锈液，在弧形连接夹持架2的一侧设置有夹持弧形槽，岩心套6设置在夹持弧形槽的内侧，在岩心套6的内壁与测试试件主体4的外表面均设置有高强度结构胶，将相同尺寸的岩心套6与测试试件主体4通过高强度结构胶粘接固定，并通过两个弧形连接夹持架2对岩心套6进行固定夹持操作；

(d)在测试试件主体4的下端面放置有支撑平台，进而通过压力试验机采用三点弯曲法对岩心套6的上端面进行外部载荷的施加，外载荷施加过程中应缓慢且均匀，确保测试试件主体4在受力过程中的垂直稳定，避免受到快速冲击造成测试结果不准确；

(e)记录三种组合试件的加载曲线及最大压力值pmax，根据公式(1)计算kif；根据公式(2)采用最小二乘法拟合线性公式(3)计算尺寸效应参数kic和cf；

α＝a/d；

a-裂纹长度，a0-初始裂纹长度，cn-形状系数，t-厚度，d-试样高度，

p-载荷，e-弹性模量，gf-初始断裂能，cf-等效断裂过程区长度，与试件几何形状相关的形式函数；

对于三点弯曲梁

对于本发明，几何形状因子如下：

kif-表观断裂韧性值，基于线弹性断裂力学测定的参数，也是大多数标准方法获取的参数；

kic-无尺寸效应断裂韧性值，g(α)和g′(α)-与试件几何形状相关的形式函数；

进一步，步骤(b)中测试试件主体4与切缝5的三种长度尺寸比例均为10:3。

进一步，步骤(d)中的压力试验机为电液伺服压力试验机。

进一步，夹持梁体1与弧形连接夹持架2的高度尺寸分为三种，夹持梁体1与弧形连接夹持架2的三种长度尺寸分别为200mm、100mm和50mm。

进一步，步骤(e)中相同试验试件形状及大小范围，尺寸效应参数的误差主要取决于试验次数，假设断裂韧性值符合正态分布，即单次测量存在一定的误差，并假设其变异系数为0.1，因此n测试获得的断裂韧性值平均值的变异系数为因此随着测试次数的增加，相对误差会越来越小；根据线性拟合误差分析法，可以给出试验次数n与尺寸效应参数的误差的关系如附图6和附图7所示；

结果表明，断裂韧性kic的变异系数wkic相对断裂过程区长度cf的变异系数wcf要小。对于cf小于20mm的材料，每组最多取十五个试样即可保证kic的相对误差小于10％，可以满足工程应用。但也观察到如果要准确测定cf还是比较困难，这是由于cf与几何因子函数的导函数有关。该预估方法只考虑了最大最小尺寸的试件，没有考虑中间尺寸的试件，因此该结果偏于保守；

在实际使用时可先取较少的试件数进行测试，根据结果和要求的精度来增加试件数量，对于一般的岩土工程，推荐的每组试件的岩心应准备十五个即可满足需求；

本发明不仅可以测试热损伤岩石，对其他准脆材料如砂岩、页岩、混凝土等材料同样适用

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。