[发明专利]一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法

说明书

本发明公开一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法，测试系统包括操作平台、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；气缸设置于操作平台，气缸输出端设有冲击杆，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，入射杆与冲击杆相近的端面上设有整形器，入射杆和透射杆之间夹持有Z字形岩石试件；入射杆与透射杆上均设有应变片，应变片通过屏蔽信号线与数据采集处理系统连接；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，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。

技术领域

本发明属于岩石力学与工程领域，尤其涉及一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法。

背景技术

在采矿、水利、岩土等工程中，岩石动态II型即面内剪切型断裂是岩体失稳破坏的重要模式之一，所以岩石动态II型断裂韧度是岩石工程结构设计和安全评估的重要指标。目前，国际岩石力学学会(ISRM)尚未推荐适合岩石动态II型断裂韧度的测试方法，现有的测试方法大多是将岩石静态II型断裂韧度的试验方法应用在霍普金森压杆(SHPB)试验系统中，例如：非对称切槽短梁压缩试验、穿孔剪切试验、双面帽形剪切试验、中心直裂纹巴西圆盘试验等，以获取岩石动态II型断裂韧度。

在岩石动态试验过程中，现有用于岩石动态II型断裂韧度的测试方法主要存在四个弊端，造成了岩石动态II型断裂韧度测量精度降低且无法推广。第一，岩石试件加载端部易造成应力集中，使得岩石试件提前破坏；第二，岩石试件制备复杂，加工时间长且成本较高；第三，岩石试件断裂时，预制裂纹端部I型即张开型应力强度因子较大，导致动态II型断裂韧度测量精度低，裂纹贯通模式混乱，次生裂纹发育严重；第四，岩石试件夹具易改变SHPB试验系统应力波传播原理，不利于满足岩石动态试验要求的应力平衡条件。因此，设计一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法，对于提高岩石动态II型断裂韧度的测量精度和测试效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有岩石动态II型断裂韧度测试方法中试件加工复杂、动态试验应力平衡差和测量精度低的不足，提供一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统及方法，本发明中涉及的岩石试件结构和制备简单，减少了加工时间和成本，岩石试件加载不需要额外夹具，易满足应力平衡条件，提高了试验效率，该测试方法能有效降低预制裂纹端部的I型应力强度因子，提高了岩石动态II型断裂韧度的测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种岩石动态II型断裂韧度的测试系统，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，所述中心裂纹的宽度取值范围为0.5～2mm。

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，包括以下步骤：