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原文传递一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法

专利名称：	一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法
摘要：	一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，包括以下步骤；S1、制作不同切槽宽度的岩石梁标准试件；S2、在岩石单轴压缩试验机上，针对不同切槽宽度的岩梁试件，开展三点弯曲试验，记录切槽口张开P‑V曲线；S3、根据P‑V曲线确定裂纹起裂时的载荷；S4、根据裂纹起裂载荷与对应的切槽张开位移，计算不同切槽宽度下，岩石的表征断裂韧度；S5、绘制表征断裂韧度随切槽宽度平方根的变化曲线，并对曲线进行函数拟合；S6、根据临界距离理论得到的岩石固有断裂韧度与表征断裂韧度的关系式，与拟合函数进行参数对比，即可得到岩石的I型断裂韧度。本发明得到岩石固有断裂韧度的计算值，避免了单次测量中由于切槽直径不够小导致的误差。
专利类型：	发明专利
申请人：	西安建筑科技大学;陕西大西沟矿业有限公司;西北有色地质矿业集团有限公司
发明人：	汪朝;李有仓;胡聪;王亚强;石广斌;王海泉
专利状态：	有效
申请日期：	2023-07-25T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-10T00:00:00+0800
申请号：	CN202310919017.6
公开号：	CN117030491A
代理机构：	西安智大知识产权代理事务所
代理人：	王晶
分类号：	G01N3/20;G06F17/15;G;G01;G06;G01N;G06F;G01N3;G06F17;G01N3/20;G06F17/15
申请人地址：	710055 陕西省西安市雁塔路13号;;
主权项：	1.一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，包括以下步骤； S1、制作不同切槽宽度(ρ)的岩石梁标准试件； S2、在岩石单轴压缩试验机上，针对不同切槽宽度的岩梁试件，开展三点弯曲试验，记录切槽口张开位移V随载荷P的变化曲线(P-V曲线)； S3、根据所述P-V曲线确定裂纹起裂时的载荷Pini； S4、根据所述裂纹起裂载荷Pini与对应的切槽张开位移V，计算不同切槽宽度下，岩石的表征断裂韧度KIN； S5、绘制所述表征断裂韧度KIN随切槽宽度平方根的变化曲线，并对曲线进行函数拟合； S6、根据临界距离理论得到的岩石固有断裂韧度KIC与表征断裂韧度KIN的关系式，与拟合函数进行参数对比，即可得到岩石的I型断裂韧度KIC。 2.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S1中，切槽宽度分别设置多种，每种切槽宽度下制作3个岩梁样品。 3.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S2中，载荷的加载速度为0.01mm/min；通过监测载荷大小与切口张开位移，获得加载过程中的荷载-开口位移(P-V)曲线。 4.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S3中，将P-V曲线上第1次应力跌落时的载荷值作为裂纹的起裂载荷。 5.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S4中，岩石表征断裂韧度KIN由下式计算：式中，KIN为表观断裂韧度，MPa·m1/2；Pini表示起裂点的加载力大小，KN；m为岩石试件质量，kg；g为重力加速度，取9.81m/s2；a0为切槽长度，S为支座间距，m；h为梁的宽度，m；其中， 6.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S5中，拟合函数模型为：式中，ρ为岩梁切槽的厚度，A、B为模型参数。 7.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，在步骤S6中，岩石固有断裂韧度与表征断裂的关系由下式确定：式中，L为常数项，表示岩石的临界距离。对比式(3)、(4)可知，岩石的固有断裂韧度KIC的值即为拟合函数模型中的系数A＝KIC，B＝1/4L。 8.根据权利要求7所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，所述S6中，临界距离理论所指的临界距离(L)是材料的一种属性参数，其值仅由材料的微观特征与组构性质决定，不随试件的尺寸与外荷载形式的变化而变化；对于准静态加载条件下的平面应变问题，该长度参数可由下式估算：式中，σ0为材料的固有强度，对于脆性材料或准脆性材料，认为固有强度等于抗拉强度(σu)，即σ0＝σu。 9.根据权利要求8所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，所述S6中，根据临界距离理论，式(4)的过程如下：根据临界距离线法理论，当裂纹尖端一定范围内的平均应力值超过固有强度时，材料开始断裂，即：根据裂纹尖端的应力场分布函数式(6)写成：从而可得：比较式(5)与式(8)可知： d＝2L (9) 根据Creager和Paris的经典公式，远场拉应力作用下，带圆角(曲率半径为ρ)的U形切槽附近的应力场为：式中，r为切槽端部附近任一点到坐标原点o的距离，KI为Ι型裂纹的应力强度因子；在拉伸作用下，U型切槽试样破坏时，断裂是沿切口的二等分线发展的，所述张开应力σy的分布情况；即在式(11)中，令θ＝0得：若在切槽尖端建立直角坐标系(x,y)，以r表示二等分线上距离切槽尖端的距离，则有此时式(13)可写成如下形式：根据线法理论，当切槽端部2L长度范围内的平均应力等于岩石的抗拉强度时，试件开始断裂，此时端部的应力强度因子KI等于材料的视在断裂韧度KIN，于是将式(14)带入公式(6)中可得临界状态下的积分等式：由上式可得出KIN出与切槽半径、临界距离，以及材料固有强度之间的关系，即在式(16)中，令ρ＝0，则有KIN＝KIC，则有：将式(17)带入(16)中可得：式(18)表达了切槽视在断裂韧度KIN与岩石Ι型断裂韧度值KIC、临界距离L，以及切槽半径ρ之间的关系；由于KIC与L为材料常数，因此KIN与成正比关系；另外，若能获得不同切槽半径下岩石切槽试样的视在断裂韧度，则可通过求解关于KIC-ρ的超定方程组得到岩石材料的断裂韧度KIC与临界距离L。 10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于临界距离理论测定岩石I型断裂韧度的方法，其特征在于，采用临界距离的虚拟裂纹法或有限断裂力学模型得到材料固有断裂韧度与表征断裂韧度的关系，从而获得适用于不同类型材料的Ⅰ型断裂韧度测定方法。
所属类别：	发明专利