基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究
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综上所述,目前对岩石尺寸效应与加载速率 的试验和理论研究已取得了相当多的成果,但同 时考虑加载速率和试样尺寸对岩石I型断裂韧度 试验值的影响仍缺乏深入研究,且研究对象多以 混凝土为主,岩石试样也多为圆盘或梁试样。国 际岩石力学学会%ISRM)在2014年建议采用中心 直裂纹半圆盘试样 ％ notched semi-circular bend , NSCB)测试岩石的断裂韧度,该试样由K. P.
第 40 卷第 4 期 2021年7月
河南理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY% NATURAL SCIENCE)
Vol. 40 No. 4 Jul. 2021
张盛，王东坤，王龙飞，等•基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究[J] •河南理工大学学 报% 自然科学版),2021,40%4) ：162-170. doi：10. 16186/j. cnki. 1673—787.2018010026
were carried out on tha RMT-150B rock mechanics test system. Tha results showed that as tha sample sizes were cartain, tha test ^)x0 of tha fracture toughness of tha specimen increased loearithmically with tha in-
Abstract: In order to invvstigata th a influenca of dOferent size of spacioen and loading rata on tha test valua of
rock mode I fracture toughness, fivv sizes of geametrically similar cantrai straight crack hall disk specimens of
diameter 30,50,75,100,150 mm were made by lioestona % notched semi-circular bend , NSCB ) . Tha threepoint bending test of tha NSCB spacioens under five lavvis of loading rates % 0. 002,0. 02,0. 2,2,10 kN/s)
ZHANG S, WANG D K, WANG L F, et al. Research on the loading rate and size effect oS lioestone fracture toughness based on NSCB specimens [ J ] . Journal oS Henan Polytechnic University % Natural Sciencc) , 2021 ,40 % 4 ) : 162-170. doi: 10. 16186/j. cnki. 1673-9787&2018010026
Chong等#14$在1984年首次提出，由于其结构较简 单,容易加工,方便试验操作,已被广泛应用于岩 石等脆性材料断裂韧度的测试中#1548 $ ,并被推广 应用于动载作用下的建议方法#17 $o鉴于此,本文
欲采用国际岩石力学协会新提出的断裂韧度测试
方法,开展不同尺寸与低加载速率范围条件下石 灰岩NSCB试样的I型断裂韧度测试试验,揭示
三点弯曲试验示意图,其中+传感器是指RMT试
验机上用于监测试样竖直方向位移量的传感器 ； 底座上有5对用于放置钢丝垫条的齿状凹
槽,每对齿状凹槽都关于NSCB试样预制裂纹对
称,凹槽之间的距离%支撑间距S)可设置为18 ,
30 ,45 ,60 ,90 mm。
2.2 NSCB断裂韧度计算公式 根据ISRM的建议方法#13$ ,对试验数据进行
石灰岩试样尺寸和加载速率对I型断裂韧度试验 值的影响。
1试验方法与试样制备
试验材料选用焦作地区的石灰岩,呈深灰白 色,属于典型的沉积岩。为了避免试验结果离散, 所用试样从同一岩块沿垂直层理方向密集布孔钻 取,根据NSCB试样的建议方法,对试样进行加 工。圆盘试样端面平整度在0.1 mm之内,利用 改进的岩石切缝机,其切割片直径200 mm,厚0. 3 mm,将圆盘试样切成两个半圆盘,然后改用直 径110 mm,厚0. 15 mm的切割片在半圆盘上切 割0.2倍半径长的中心直裂缝,得到的中心直裂 缝宽度约为0.3mm,试样加工过程见图1 ,分别
roy2002@ 163. cam
第4期
张盛!等:基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究
163
characteristics of rock and to determine the fracture toughness accurately.
Key words:limestone ；fracture toughness ；loading rate ；size effect； NSCB specimen
⑻钻心机
(b)岩石切割机
(c)岩石研磨机
rr—
(d)改进的岩石切缝机
Fig. 1
(e)NSCB 试样 图1 NSCB试样加工过程示意图 Schematic diagram of NSCB specimens processing
164
河南理工大学学报(自然科学版)
2021 年第 40 卷
经历了钻心、切割、研磨和切缝4道工序!图1 % e) 为加工的不同尺寸试样。
2试验过程及数据处理
2. 1 试验方法 试验在中科院武汉岩土所研发的RMT-150B
岩石力学试验系统上完成。该系统能够实现单轴 压缩、三轴压缩、压剪破坏、直接或间接拉伸试验, 能够进行位移%行程)和载荷控制，载荷控制加载 速率为0.001〜100 kN/s,共有12级可选°试验 采用直径30,50,75,100,150 mm且几何相似的 NSCB试样,每种直径制作20个试样,4个一组, 每种直径试样分为5组,5组依次设定的加载速 率为 0.002 ,0. 02,0.2,2,10 kN/s。图 2 为 NSCB
ceease of the eoading eate. As the eoading eate was ce etain,the ee was a ceiti ca esi ae,whi ch disk diameteewas50
mm. When it was less than this critical size, the fracture toughness test wluv increxses grextly. Howevvs, when O grextas than tho critical size, the test wlua increased by a small amount and basically increased linexrly. Tha rexsons causing the loading rata and size effect were discussed, which was helpful to deeply analyze the fracture
基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其 断裂韧度的影响研究
张盛V，王东坤1,王龙飞1,王小良1，乔洋1
-
%1.河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 ;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000&
摘要：为研究试样不同尺寸和加载速率对岩石I型断裂韧度试验值的影响，采用石灰岩制作圆 盘直径30 ,50,75,100,150 mm 5种几何相似的中心直裂纹半圆盘试样(notched semi-circular bend,NSCB)，在RMT—50B岩石力学试验系统上对NSCB试样进行5种加载速率(0. 002,0. 02 ,0.2,2,10 kN/s)作用下的三点弯曲试验$结果表明:在试样尺寸一定条件下,试样的断裂 韧度试验值随着加载速率的增加基本呈对数增大，在加载速率一定条件下，存在一个临界尺寸 (圆盘直径50 mm)，小于这个临界尺寸时,断裂韧度试验值增加幅度较大,大于这个临界尺寸 时,试验值增加幅度较小,且基本呈线性增加$探讨了产生加载率和尺寸效应的原因,对于深 入分析岩石断裂特性和准确确定岩石断裂韧度有一定意义$
0引言
岩石的断裂韧度是表征岩石材料抵抗裂纹起 裂和扩展能力的参数，包含I型、(型、)型断裂
韧度,其中I型断裂是岩石最常见的断裂方式 o
不同尺寸的岩石断裂特性有一定差异,存在明显 的尺寸效应现象#14$ ,加载速率也是影响岩石断裂
韧度的重要因素之一 #641 $o国内外关于岩石尺寸
效应与加载速率等方面的试验研究和理论探索已 经取得了不少成果。张盛等# 34$采用仅变化裂缝 长度和几何相似的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西 圆盘试样,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击 劈裂试验,分析了裂缝长度和几何相似对试样动 态断裂韧度测试值的影响;冯峰等#5 $用中心直裂 纹平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的尺寸效 应,测试结果表明,岩石的动态断裂韧度同时受到 加载速率和尺寸效应等影响 ;李永盛#6 $、王洪亮 等#7 $和张志镇等#8 $通过对红砂岩进行不同加载 速率的单轴压缩实验发现抗压峰值强度随加载速 率的提高呈对数增大;苏海健等#9 $对高温后砂岩 进行了不同加载速率的单轴压缩试验,结果表明, 试样的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率 效应,且呈现正线性关系;刘世奇等#10 $利用自研 试验系统进行了不同加载速率的直接拉伸和巴西 劈裂试验,结果表明,岩石的抗拉强度随着应变速 率增加而增加,且临界拉伸应变与应变速率也呈 现正相关性;周辉等#11 $通过硬脆性大理岩在不同 加载速率%0.001,0.01,0. 1,1.0,10 kN/s)下的巴 西试验与电镜扫描试验,获得了大理岩荷载4立移 曲线、拉伸强度以及断口形貌特征与加载速率之 间的关系;孟庆彬等#12 $分析了岩石强度、变形、声 发射特征等参数随试样尺寸和应变速率的变化规 律,探讨了能量与试样尺寸的内在联系。
计算和处理。NSCB试样的断裂韧度+'计算式
为
g % = Pp S LK ,
% 1)
其中,
K = - 1. 297 + 9. 516 ・[S/(2S)$ -
关键词：石灰岩；断裂韧度；加载速率；尺寸效应；NSCB试样
中图分类号:TU45
文献标志码:A
文章编号：1673-9787 % 2021) 4-162-9
Research on the loading rate and size effect limestone fracture toughness based on NSCB specimens
ZHANG Sheng1 - , WANG Dongkun1 , WANG Longfei1 ,WANG Xiaoliang1 , QIAO Yang1
% 1. School of EnergA Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000 , Henan, China ；2. Henan Province Collaborative Innova tion Center of Coal WorO Safety, Jiaozuo 454000 , Henan, China)
收稿日期：2018-10-26 ；修回日期：2020 — 1—8 基金项目：国家自然科学基金资助项目% 51674101 ）；河南省重点实验室基金资助项目% S201605 ） 第一作者简介：张盛%1976-），男，山西朔州人，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学性质方面的教学和研究工作。Email：zs-
第 40 卷第 4 期 2021年7月
河南理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY% NATURAL SCIENCE)
Vol. 40 No. 4 Jul. 2021
张盛，王东坤，王龙飞，等•基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究[J] •河南理工大学学 报% 自然科学版),2021,40%4) ：162-170. doi：10. 16186/j. cnki. 1673—787.2018010026
were carried out on tha RMT-150B rock mechanics test system. Tha results showed that as tha sample sizes were cartain, tha test ^)x0 of tha fracture toughness of tha specimen increased loearithmically with tha in-
Abstract: In order to invvstigata th a influenca of dOferent size of spacioen and loading rata on tha test valua of
rock mode I fracture toughness, fivv sizes of geametrically similar cantrai straight crack hall disk specimens of
diameter 30,50,75,100,150 mm were made by lioestona % notched semi-circular bend , NSCB ) . Tha threepoint bending test of tha NSCB spacioens under five lavvis of loading rates % 0. 002,0. 02,0. 2,2,10 kN/s)
ZHANG S, WANG D K, WANG L F, et al. Research on the loading rate and size effect oS lioestone fracture toughness based on NSCB specimens [ J ] . Journal oS Henan Polytechnic University % Natural Sciencc) , 2021 ,40 % 4 ) : 162-170. doi: 10. 16186/j. cnki. 1673-9787&2018010026
Chong等#14$在1984年首次提出，由于其结构较简 单,容易加工,方便试验操作,已被广泛应用于岩 石等脆性材料断裂韧度的测试中#1548 $ ,并被推广 应用于动载作用下的建议方法#17 $o鉴于此,本文
欲采用国际岩石力学协会新提出的断裂韧度测试
方法,开展不同尺寸与低加载速率范围条件下石 灰岩NSCB试样的I型断裂韧度测试试验,揭示
三点弯曲试验示意图,其中+传感器是指RMT试
验机上用于监测试样竖直方向位移量的传感器 ； 底座上有5对用于放置钢丝垫条的齿状凹
槽,每对齿状凹槽都关于NSCB试样预制裂纹对
称,凹槽之间的距离%支撑间距S)可设置为18 ,
30 ,45 ,60 ,90 mm。
2.2 NSCB断裂韧度计算公式 根据ISRM的建议方法#13$ ,对试验数据进行
石灰岩试样尺寸和加载速率对I型断裂韧度试验 值的影响。
1试验方法与试样制备
试验材料选用焦作地区的石灰岩,呈深灰白 色,属于典型的沉积岩。为了避免试验结果离散, 所用试样从同一岩块沿垂直层理方向密集布孔钻 取,根据NSCB试样的建议方法,对试样进行加 工。圆盘试样端面平整度在0.1 mm之内,利用 改进的岩石切缝机,其切割片直径200 mm,厚0. 3 mm,将圆盘试样切成两个半圆盘,然后改用直 径110 mm,厚0. 15 mm的切割片在半圆盘上切 割0.2倍半径长的中心直裂缝,得到的中心直裂 缝宽度约为0.3mm,试样加工过程见图1 ,分别
roy2002@ 163. cam
第4期
张盛!等:基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究
163
characteristics of rock and to determine the fracture toughness accurately.
Key words:limestone ；fracture toughness ；loading rate ；size effect； NSCB specimen
⑻钻心机
(b)岩石切割机
(c)岩石研磨机
rr—
(d)改进的岩石切缝机
Fig. 1
(e)NSCB 试样 图1 NSCB试样加工过程示意图 Schematic diagram of NSCB specimens processing
164
河南理工大学学报(自然科学版)
2021 年第 40 卷
经历了钻心、切割、研磨和切缝4道工序!图1 % e) 为加工的不同尺寸试样。
2试验过程及数据处理
2. 1 试验方法 试验在中科院武汉岩土所研发的RMT-150B
岩石力学试验系统上完成。该系统能够实现单轴 压缩、三轴压缩、压剪破坏、直接或间接拉伸试验, 能够进行位移%行程)和载荷控制，载荷控制加载 速率为0.001〜100 kN/s,共有12级可选°试验 采用直径30,50,75,100,150 mm且几何相似的 NSCB试样,每种直径制作20个试样,4个一组, 每种直径试样分为5组,5组依次设定的加载速 率为 0.002 ,0. 02,0.2,2,10 kN/s。图 2 为 NSCB
ceease of the eoading eate. As the eoading eate was ce etain,the ee was a ceiti ca esi ae,whi ch disk diameteewas50
mm. When it was less than this critical size, the fracture toughness test wluv increxses grextly. Howevvs, when O grextas than tho critical size, the test wlua increased by a small amount and basically increased linexrly. Tha rexsons causing the loading rata and size effect were discussed, which was helpful to deeply analyze the fracture
基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其 断裂韧度的影响研究
张盛V，王东坤1,王龙飞1,王小良1，乔洋1
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%1.河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 ;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000&
摘要：为研究试样不同尺寸和加载速率对岩石I型断裂韧度试验值的影响，采用石灰岩制作圆 盘直径30 ,50,75,100,150 mm 5种几何相似的中心直裂纹半圆盘试样(notched semi-circular bend,NSCB)，在RMT—50B岩石力学试验系统上对NSCB试样进行5种加载速率(0. 002,0. 02 ,0.2,2,10 kN/s)作用下的三点弯曲试验$结果表明:在试样尺寸一定条件下,试样的断裂 韧度试验值随着加载速率的增加基本呈对数增大，在加载速率一定条件下，存在一个临界尺寸 (圆盘直径50 mm)，小于这个临界尺寸时,断裂韧度试验值增加幅度较大,大于这个临界尺寸 时,试验值增加幅度较小,且基本呈线性增加$探讨了产生加载率和尺寸效应的原因,对于深 入分析岩石断裂特性和准确确定岩石断裂韧度有一定意义$
0引言
岩石的断裂韧度是表征岩石材料抵抗裂纹起 裂和扩展能力的参数，包含I型、(型、)型断裂
韧度,其中I型断裂是岩石最常见的断裂方式 o
不同尺寸的岩石断裂特性有一定差异,存在明显 的尺寸效应现象#14$ ,加载速率也是影响岩石断裂
韧度的重要因素之一 #641 $o国内外关于岩石尺寸
效应与加载速率等方面的试验研究和理论探索已 经取得了不少成果。张盛等# 34$采用仅变化裂缝 长度和几何相似的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西 圆盘试样,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击 劈裂试验,分析了裂缝长度和几何相似对试样动 态断裂韧度测试值的影响;冯峰等#5 $用中心直裂 纹平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的尺寸效 应,测试结果表明,岩石的动态断裂韧度同时受到 加载速率和尺寸效应等影响 ;李永盛#6 $、王洪亮 等#7 $和张志镇等#8 $通过对红砂岩进行不同加载 速率的单轴压缩实验发现抗压峰值强度随加载速 率的提高呈对数增大;苏海健等#9 $对高温后砂岩 进行了不同加载速率的单轴压缩试验,结果表明, 试样的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率 效应,且呈现正线性关系;刘世奇等#10 $利用自研 试验系统进行了不同加载速率的直接拉伸和巴西 劈裂试验,结果表明,岩石的抗拉强度随着应变速 率增加而增加,且临界拉伸应变与应变速率也呈 现正相关性;周辉等#11 $通过硬脆性大理岩在不同 加载速率%0.001,0.01,0. 1,1.0,10 kN/s)下的巴 西试验与电镜扫描试验,获得了大理岩荷载4立移 曲线、拉伸强度以及断口形貌特征与加载速率之 间的关系;孟庆彬等#12 $分析了岩石强度、变形、声 发射特征等参数随试样尺寸和应变速率的变化规 律,探讨了能量与试样尺寸的内在联系。
计算和处理。NSCB试样的断裂韧度+'计算式
为
g % = Pp S LK ,
% 1)
其中,
K = - 1. 297 + 9. 516 ・[S/(2S)$ -
关键词：石灰岩；断裂韧度；加载速率；尺寸效应；NSCB试样
中图分类号:TU45
文献标志码:A
文章编号：1673-9787 % 2021) 4-162-9
Research on the loading rate and size effect limestone fracture toughness based on NSCB specimens
ZHANG Sheng1 - , WANG Dongkun1 , WANG Longfei1 ,WANG Xiaoliang1 , QIAO Yang1
% 1. School of EnergA Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000 , Henan, China ；2. Henan Province Collaborative Innova tion Center of Coal WorO Safety, Jiaozuo 454000 , Henan, China)
收稿日期：2018-10-26 ；修回日期：2020 — 1—8 基金项目：国家自然科学基金资助项目% 51674101 ）；河南省重点实验室基金资助项目% S201605 ） 第一作者简介：张盛%1976-），男，山西朔州人，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学性质方面的教学和研究工作。Email：zs-