一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的测试系统及试验方法

一种测试岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度的测试系统及试验方法
技术领域
1.本发明属于材料性能测试领域，涉及一种利用特定几何形状试样测试脆性材料不同法向应力情况下动态剪切强度和ii型动态断裂韧度的试验方法，其主要适用于深部资源开采过程的高应力岩石剪切性能测试和参数获取。


背景技术：

2.岩石等脆性材料的抗剪性能是关乎其稳定性的重要特性之一。抗剪强度和ii型断裂韧度是表征岩石剪切性能的两个重要指标，针对这两个指标的静态测试方法已经较为成熟。随着地球浅部矿产资源的逐渐枯竭，向地球深部进军已成为国家战略发展方向之一。而深部资源开采存在浅部不具备的高应力特征，岩体开挖及资源开采扰动导致深地高应力重分布，可能引发冲击地压/岩爆和断层滑移诱发地震等重大动力灾害。因此，测定高应力条件下岩石材料的动态剪切参数极为重要，因为其是衡量深部资源开采过程中岩体稳定性的重要指标之一。
3.目前岩石动态剪切性能测试主要利用霍普金森压杆测试系统，通过对特定结构岩石试样开展冲击加载试验，辅以测量技术或数值软件获取岩石动态剪切力学参数。在这方面，前人主要还是通过设计特定的岩石试样几何形状实现岩石压缩致剪，例如：
4.申请号为“201010154546.4”中国发明专利“利用同心圆柱试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法”；
5.申请号为“201320532760.8”中国实用新型专利“高应变率条件下研究粘弹性材料ii型断裂的剪切试件”；
6.申请号为“201310384246.9”中国发明专利“高应变率条件下研究粘弹性材料ii型断裂的剪切试件”；
7.申请号为“201910385126.8”中国发明专利申请“霍普金森杆混凝土材料双面剪切试验装置及其使用方法”；
8.但这些脆性材料剪切试验方法存在两方面的不足：(1)未考虑深部高应力的围压效应。所得到的剪切性能参数限定在法向应力σ
n
＝0情况下，适用性方面存在明显缺陷；(2)所设计的岩石试样结构在试验过程中不一定能够达到预期效果。由于脆性岩石的抗拉强度一般小于其抗压强度和抗剪强度，因此在霍普金森压杆冲击加载过程中岩石试样并非沿设定路线发生直接剪切破坏，其会产生偏转的翼型拉伸裂纹，导致测试结果的可靠性降低。
9.而在考虑围压影响的岩石动态剪切性能测试方面，尚未有比较明确的技术方法和试验系统。目前基于霍普金森压杆的围压加载系统主要用于岩石抗压和抗拉性能测试，例如：
10.申请号为“200510032031.6”中国发明专利“动静组合加载岩石力学实验方法与装置”；
11.申请号为“202010955201.2”中国发明专利申请“强动力扰动下深部围岩渗流稳定
性分析装置及方法”；
12.申请号为“202010980355.7”中国发明专利申请“热冲击与动力冲击耦合下岩石渗流特性测试装置及方法”；
13.申请号为“201811602351.4”中国发明专利“真三轴霍普金森杆固体动态损伤与超声波传播测试方法”；
14.申请号为“201811601168.2”中国发明专利“真三轴霍普金森压杆的定位对中系统及方法”；
15.申请号为“202021925874.5”中国实用新型专利“一种基于霍普金森压杆的双介质围压装置”；
16.申请号为“201620574575.9”中国实用新型专利“一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置”；
17.申请号为“201510010360.4”中国发明专利“一种真三轴多场多相耦合动力学试验系统及方法”；
18.这些试验方法并未考虑岩石剪切试验的特殊性，在测试岩石抗剪性能方面存在显著的缺陷：(1)油压腔驱动的环向围压加载方法无法形成岩石单一方向的法向加载，导致所测岩石参数可靠性不足；(2)刚性杆件围压加载方法未考虑岩石剪切试验过程的自反馈性。由于岩石的泊松效应和剪胀效应，长条形刚性杆加载过程中岩石法向应力不稳定，所测岩石动态剪切参数不准确。
19.另外，申请号为“202011160273.4”中国发明专利申请“三轴热
‑
水
‑
力耦合的岩土体动态冲击聚能剪切实验装置”公开的围压加载剪切装置主要适用于模拟三轴热
‑
水
‑
力耦合的岩土体剪切渗流特征，也不适用于岩石动态剪切参数的获取。
20.申请号为“201911247828.6”中国发明专利“一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置及方法”公开的围压加载条件下岩石剪切试验装置存在与上述压缩致剪加载方法相似的问题，即不能保证岩石试样的纯剪破坏。
21.基于上述总结分析，目前急需开发一种测试岩石不同法向应力下动态剪切强度和ii型动态断裂韧度的试验方法，以满足深部高应力环境岩石剪切力学参数有效获取的要求。


技术实现要素：

22.本发明针对以上问题，提出了一种测试岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度的测试系统及试验方法，可以简便有效地获取岩石在不同法向应力环境下ii型动态断裂韧度的试验数据。
23.本发明的技术方案为：所述测试系统包括霍普金森压杆冲击加载单元以及静态法向应力液压加载单元；
24.通过静态法向应力液压加载单元向岩石试样9施加法向应力，通过霍普金森压杆冲击加载单元向岩石试样9施加动态压缩载荷。
25.所述岩石试样9呈长方体状，所述岩石试样9的顶面以及底面上分别开设有呈通槽状的试样预制裂缝12，两个试样预制裂缝12相互平行。
26.所述静态法向应力液压加载单元包括静载设备框架7、静载支撑底座11以及液压
加载系统8，所述静载支撑底座11固定连接在静载设备框架7中，用于承托所述岩石试样9；
27.所述液压加载系统8包括固定连接在静载设备框架7上的液压缸以及固定连接在液压缸的活塞杆上的压块，所述液压缸竖直设置于静载支撑底座11的上方，所述压块处于液压缸之下，并在液压缸的带动下做直线往复运动，从而向岩石试样9施加法向应力。
28.所述霍普金森压杆冲击加载单元包括与静载设备框架7位置固定的设备摆放台6以及连接在设备摆放台6上的冲击载荷发射装置1、入射杆3、透射杆4、吸收杆5，所述冲击载荷发射装置1、入射杆3、透射杆4以及吸收杆5依次排列，并且入射杆3和透射杆4自静载设备框架7的两侧穿入静载设备框架7中，通过冲击载荷发射装置1在入射杆3上产生冲击载荷，从而通过入射杆3和透射杆4在岩石试样9的两侧端面上施加动态压缩载荷。
29.针对压缩短梁试样特定的尺寸结构，通过能量法计算得出岩石的ii型动态应力强度因子其中s
r
和l
r
分别为压缩短梁试样双缝跨距和试样长度，a为试样预制裂缝长度，y(s
r
/l
r
)是与试样几何参数相关的物理量，τ
d
(t)为试样实时动态剪切应力；将不同法向应力σ
n
和加载率条件下的试样峰值剪切应力代入动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度值。
30.根据公式τ
d
(t)＝e
b
a
b
[ε
i
(t)+ε
r
(t)+ε
t
(t)]/(2a
r
s
r
b
r
)计算岩石动态剪切应力τ
d
(t)，式中ε
i
(t)、ε
r
(t)、ε
t
(t)分别为粘贴于入射杆3、透射杆4表面的电阻应变片采集到的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号；a
b
和a
r
分别为霍普金森压杆加载设备圆柱金属杆和岩石试样的横截面积尺寸，b
r
为岩石试样厚度，e
b
为金属杆的弹性模量，动态剪切应力的最大值即为岩石的动态抗剪强度其与静态法向应力和动态加载率相关，即
[0031]
y(s
r
/l
r
)是与试样几何参数相关的物理量，在试样两端面施加均布载荷情况下，通过有限元软件分析得到y(s
r
/l
r
)＝0.0881+1.3393s
r
/l
r
+1.8548(s
r
/l
r
)2。
[0032]
按以下步骤进行试验：
[0033]
步骤1、收录信息：收录岩石试样9的长度l
r
、高度h
r
、厚度b
r
以及两条试样预制裂缝12的平行跨距s
r
、试样预制裂缝12的长度a；
[0034]
步骤2、布置试样：先将岩石试样9摆放在静载支撑底座11上，并使得岩石试样9处于入射杆3和透射杆4之间；再调整岩石试样9的位置，使得其中的两试样预制裂缝12与入射杆3相垂直；
[0035]
步骤3、施加法向应力：启动液压加载系统8，对岩石试样9的顶面施加向下的垂直压力；
[0036]
步骤4、开展霍普金森压杆动态冲击试验：调节步骤3中的垂直压力，在不同的法向应力环境下，通过改变冲击载荷发射装置1作用在入射杆3上的冲击载荷，实现霍普金森压杆不同冲击能量的动态加载，采集试验过程中入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号，得到多组试验数据；
[0037]
步骤5、获取试验结果；
[0038]
步骤5.1、根据公式τ
d
(t)＝e
b
a
b
[ε
i
(t)+ε
r
(t)+ε
t
(t)]/(2a
r
s
r
b
r
)计算岩石动态剪切应力τ
d
；
[0039]
式中，ε
i
(t)、ε
r
(t)、ε
t
(t)分别为霍普金森压杆冲击加载单元上所粘贴应变片采集到的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号；a
b
和a
r
分别为霍普金森压杆冲击加载单元中入射杆3和岩石试样9的横截面积尺寸；e
b
为入射杆3的弹性模量；
[0040]
动态剪切应力的最大值即为岩石的动态抗剪强度其与静态法向应力和动态加载率相关，即
[0041]
步骤5.2、通过能量法计算得出岩石的ii型动态应力强度因子其中a为预制裂缝12的长度，y(s
r
/l
r
)是与试样几何参数相关的物理量，在试样两端面施加均布载荷情况下，通过有限元软件分析得到y(s
r
/l
r
)＝0.0881+1.3393s
r
/l
r
+1.8548(s
r
/l
r
)2；
[0042]
步骤5.3、将不同法向应力σ
n
和加载率条件下的步骤5.1得出的试样峰值剪切应力代入步骤5.2中的动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度值。
[0043]
本发明设计了稳定静载与动载同步加载系统。考虑围压对岩石剪切性能影响，在试样上表面利用液压加载系统施加稳定的静态载荷，实现不同法向应力情况下岩石的动态剪切行为研究。通过改变霍普金森压杆冲击载荷大小，得到不同法向应力条件下岩石的动态抗剪强度与法向应力σ
n
和加载率关系，即
[0044]
针对压缩短梁岩石试样特定的尺寸结构，通过能量法计算得出岩石的ii型动态应力强度因子k
ii_d
：
[0045][0046]
式中：l
r
为试样长度，a为试样预制裂缝长度；y(s
r
/l
r
)是与试样几何参数相关的物理量，在试样两端面施加均布载荷情况下，通过有限元软件分析得到y(s
r
/l
r
)：
[0047][0048]
将不同法向应力和加载率情况下的岩石试样峰值剪切应力代入上述动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度。
[0049]
本发明的有益效果：本发明利用霍普金森压杆装置的动态加载原理，设计特定几何形状的岩石试样并结合静态液压加载装置，提出一种测试岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度的试验方法。利用上述方法，可以获得加载率段(105～106mpa/s)、围压区间(0～50mpa)的岩石动态抗剪强度和ii型动态断裂韧度，所得结果准确可靠，填补了该研究领域内的空白，也为深地资源开采过程的岩石剪切特性评价提供支撑。
附图说明
[0050]
图1是本发明不同法向应力下ii型动态断裂韧度试验方法示意图；
[0051]
图2是本发明岩石试样与霍普金森压杆及静态液压加载系统接触示意图；
[0052]
图3是本发明岩石试样几何形状及尺寸图。
[0053]
图中标号说明：1是冲击载荷发射装置，2是中心架，3是入射杆，4是透射杆，5是吸收杆，6是设备摆放台，7是静载设备框架，8是液压加载系统，9是岩石试样，10是轴向固定法兰，11是静载支撑底座，12是试样预制裂缝。
具体实施方式
[0054]
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
[0055]
实施例1：
[0056]
参见图1，一种测试岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度的试验方法，包括霍普金森压杆冲击加载单元、静态法向应力液压加载单元和特定几何形状的岩石剪切试样，三者有效配合，实现不同法向应力下岩石ii型动态断裂韧度测试的目的。
[0057]
本实施例中岩石试样9设计成压缩短梁结构，如图3所示，压缩短梁试样长度l
r
＝50mm，高度h
r
＝40mm，厚度b
r
＝30mm，两条预制裂缝12的长度和开度均分别为20mm和2mm，两条预制裂缝12平行跨距s
r
＝25mm,由此s
r
/l
r
＝0.5可以有效保证岩石动态压缩过程沿裂纹尖端水平方向形成直接剪切面(图3中虚线所示)。该岩石试样结构的优点在背景技术里已经说明，是本发明得到岩石精确剪切参数的重要组成单元之一。
[0058]
将压缩短梁岩石试样9置于静态设备框架7的静载支撑底座11上(如图2所示)，调整好试样的位置，保证其与液压加载系统8及静载支撑底座11在垂直方向上对心。启动液压加载系统8，以0.1mm/min的加载速率对岩石试样上表面施加向下的垂直压力，当达到预设的压力值后，稳定围压5mins，随即开展霍普金森压杆动态冲击试验。
[0059]
如图1所示，水平方向的霍普金森压杆系统置于设备摆放台6上，从左到右依次为冲击载荷1发射装置，入射杆3，透射杆4和吸收杆5，其中圆柱形金属杆件(直径50mm)通过中心架2固定且可以调节中心架旋钮确保杆件的水平对心。入射杆3和透射杆4通过轴向固定法兰10穿过静载设备框架7与岩石试样左右截面平行接触(如图2)。水平方向的霍普金森压杆与垂直方向的液压加载头间预留5mm左右的间隙，防止冲击加载过程中水平杆件和垂直加载头的碰撞，以免损坏加载设备。
[0060]
其中圆柱形金属杆件(入射杆3、透射杆4、吸收杆5)分别通过多个中心架2连接在设备摆放台6上，入射杆3和透射杆4通过轴向固定法兰10穿过静载设备框架7与岩石试样9左右端面平行接触。入射杆3和透射杆4的横截面积尺寸、弹性模量均保持一致。入射杆3和透射杆4上粘贴有电阻应变片(120ω)。
[0061]
改变冲击载荷1的大小，实现霍普金森压杆不同冲击能量的动态加载。另外，改变试样垂直方向静态载荷实现不同法向应力σ
n
和加载率下的岩石直接剪切破坏，并根据公式τ
d
(t)＝e
b
a
b
[ε
i
(t)+ε
r
(t)+ε
t
(t)]/(2a
r
s
r
b
r
)计算岩石动态剪切应力τ
d
。式中，ε
i
(t)、ε
r
(t)、ε
t
(t)分别为霍普金森压杆加载设备采集到的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号；a
b
和a
r
分别为霍普金森压杆加载系统圆柱金属杆和岩石试样的横截面积尺寸；e
b
为金属杆的弹性模量。动态剪切应力的最大值即为岩石的动态抗剪强度其与静态法向应力和动态加载率相关，即
[0062]
针对压缩短梁试样特定的尺寸结构，通过能量法计算得出岩石的ii型动态应力强
度因子其中a为预制裂缝12的长度，y(s
r
/l
r
)是与试样几何参数相关的物理量，在试样两端面施加均布载荷情况下，通过有限元软件分析得到y(s
r
/l
r
)＝0.0881+1.3393s
r
/l
r
+1.8548(s
r
/l
r
)2，将不同围压和加载率条件下的试样峰值剪切应力代入动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下ii型动态断裂韧度值。
[0063]
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。