[发明专利]一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法

权利要求书

1.一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统，其特征在于，包括操作平台、支撑底座、气缸、冲击杆、入射杆、透射杆、Z字形岩石试件和吸收杆；所述气缸设置于操作平台，气缸输出端设有冲击杆，所述支撑底座设置于操作平台上方，冲击杆一侧的支撑底座上依次设置有入射杆、透射杆和吸收杆，所述入射杆与冲击杆相近的端面上设有整形器，所述入射杆和透射杆之间夹持有所述Z字形岩石试件；入射杆与透射杆上均设有应变片，所述应变片通过屏蔽信号线与数据采集处理系统连接；

所述Z字形岩石试件是通过对一个圆柱形岩石的对角方向分别切割掉相同大小的半圆柱体后得到，所述Z字形岩石试件的中部设有沿水平直径方向贯穿Z字形岩石试件的中心裂纹。

2.根据权利要求1所述一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统，其特征在于，切割掉的半圆柱体的长度作为错位距离，圆柱形岩石试件的高度与圆柱形岩石试件的直径之间的比值称为高径比，取值为0.5～1.5；错位距离与圆柱形岩石试件的高度的比值称为错位比，取值为0.18～0.3。

3.根据权利要求1所述一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统，其特征在于，所述中心裂纹的长度与圆柱形岩石试件的高度的比值称为裂纹比，取值为0.1～0.4。

4.根据权利要求1所述一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统，其特征在于，所述中心裂纹的宽度取值范围为0.5～2mm。

5.一种岩石动态II型断裂韧度的测试方法，基于权利要求1中岩石动态II型断裂韧度的测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将Z字形岩石试件夹持在入射杆和透射杆之间，使Z字形岩石试件顶端与入射杆后端面贴紧，使Z字形岩石试件底端与透射杆的前端面贴紧；

(2)利用气缸内压缩空气驱动冲击杆撞击入射杆的前端面，从而对Z字形岩石试件施加冲击荷载；

(3)利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片，数据采集处理系统记录Z字形岩石试件动态II型断裂过程中的入射应变、透射应变和反射应变，当入射应变和透射应变之和等于反射应变时，Z字形岩石试件两端满足应力平衡，可按下述公式计算冲击荷载P(t)：

式中：E和A分别为入射杆和透射杆的弹性模量和横截面积，ε_I(t)、ε_R(t)和ε_T(t)分别为应变片采集到的入射应变信号、反射应变信号和透射应变信号；

(4)将冲击荷载P(t)带入下述公式计算Z字形岩石试件的I型和II型应力强度因子：

式中：P_max为峰值冲击荷载，R为Z字形岩石试件的半径，a为中心裂纹长度的一半，Y_I和Y_II分别为Z字形岩石试件I型和II型几何因子，Y_I和Y_II由J积分法的有限元程序确定。