不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究

a0 a1
D
a1
a0
D
RRss
B (a) CCNBD 试件几何尺寸
图 3 SHPB 试验设备 Fig.3 SHPB testing equipment
表 3 SHPB 试验设备参数 Table 3 Parameters of SHPB testing equipment
入射杆 透射杆 杆直径
长度 长度 /mm
厚度 B/mm 纹长度 纹长度
a0/mm
a1/mm
30
9.89
24.37
刀锯半径 Rs/mm
26
量纲一的 应力强度
因子
0.84
0.800 0，α0 = a0 /R = 0.263 7，α1 = a1 /R = 0.650 0， αs = Rs /R = 0.693 3。 3.2 试验设备及测试原理
采用中南大学研制的 75 mm 杆径 SHPB 试验装 置，对平台 CCNBD 试件进行了动态冲击加载试 验。SHPB 试验设备见图 3 所示，SHPB 试验设备参 数见表 3 所示。
1引言
岩石类准脆性材料的破坏过程是由于一个或多
个微裂纹的生核、扩展、贯通直至最终产生了宏观 裂纹，从而使岩石材料发生了破坏[1～6]。裂纹在岩 石破坏过程中起到了关键性的因素，而线弹性断裂 力学普遍被采用进行断裂扩展分析[7～10]。其中，在
收稿日期：2010–03–19；修回日期：2010–04–15 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB724602)；科技部国际科技合作项目(2007DFB60100)；国家自然科学基金资助项目(50674092， 50774076)；国家建设高水平大学公派研究生项目资助 作者简介：满 轲(1982–)，男，2004 年毕业于北京交通大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。E-mail：
/mm /mm
弹性 纵波
发射腔
密度
模量 波速 泊松比 /GPa /(m·s－1)
气压 /MPa
/(kg·m－3)
75 2 000 2 000 250 5 400 0.285 0～10 7 810
在图 4 所示的动态断裂试验系统中，入射波进 入入射杆后，经一定时间传到入射杆与试件的交界 面处，部分入射波沿入射杆反射回来，另一部分通 过试件，并在透射杆中传播。
最大轴(切)向荷载/kN
轴(切)向伺服行程/mm
1 500(压) 900(拉)
0～150 ±75
劈裂试验即巴西法(Brazilian test)，这是岩石类 材料普遍采用的抗拉强度测试方法[18]。针对岩石直 接抗拉测试所得结果的离散性大及试验困难，采用 了该间接拉伸法。其原理是通过对圆盘加压，使圆 盘的中心线上应力处于均匀受拉状态，并通过圆盘 劈裂破坏时的加载轴压换算岩石的抗拉强度，其计 算公式为
图 1 RMTS150 型程控伺服混凝土与岩石力学试验系统及 试件
Fig.1 Rock mechanics testing system RMTS150 and specimen
表 1 RMTS150 试验系统的性能参数 Table 1 Performance parameters of RMTS150
裂纹受到拉应力作用而引起微裂纹的扩展、互相贯通，从而导致岩石的破坏。根据动态断裂韧性与拉伸强度之间
可能存在的关系，可以由拉伸强度的测试结果推测试件的动态断裂韧性值，将大大简化动态断裂韧性测试的繁琐
性。
关键词：岩石力学；单轴拉伸强度；动态断裂韧性；微裂纹；岩石破坏机制
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
本文中岩石劈裂试验，采用的是四川大学的 RMTS150 型程控伺服混凝土与岩石力学试验系统。 试验系统如图 1 所示，试验系统的性能参数见表 1。
σ t = 9.35KIc − 2.53 (R2 = 0.62)
(1)
式中： σ t 为拉伸强度， KIc 为 I 型断裂韧性。在 σ t = 0 的情况下，KIc = 0.27 ，这意味着不能承受拉 伸强度的岩石，但可以允许内部裂纹发生一定的扩
加载时采用力控制的方式加轴向荷载(5 kN/ min)，直至试件破坏。采样方式采用峰值采样(试件 破坏荷载)，可测量到试件破坏时的轴向荷载。
3 动态断裂韧性试验过程
表 2 标准 CCNBD 几何尺寸 Table 2 Geometry of standard CCNBD
wenku.baidu.com
圆盘直径 D/mm
75
初始切槽裂 最终切槽裂
展。这对于岩石类材料而言，是不可能存在的，当
σ t = 0 时， KIc 亦应为 0。 同样的，Z. X. Zhang[15]通过试验发现，I 型断
裂韧性与拉伸强度之间存在着一定的比例关系，根
据试验数据，得到 I 型断裂韧性与拉伸强度的关系 为
σ t = 6.88KIc (R2 = 0.94)
(2)
B. N. Whittaker 等[14]得到了 I 型断裂韧性与拉 伸强度的关系可以表述为
武岩岩块分别采自海拔+190 m，+90 m，－10 m 处， 其赋存深度分别为 410，510，610 m。
本试验严格按照相关标准[17]的规定。拉伸强度 的测试采用的是劈裂试验方法，所用的试件尺寸为 φ 50 mm×25 mm 的标准试样。 2.2 试验设备及测试原理
摘要：按照国际岩石力学学会试验规范以及工程岩体试验方法标准(GB/T50266–99)，对不同赋存深度的玄武岩试 件分别进行动态断裂韧性测试和单轴拉伸强度测试，得到动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在一定的关系；并
从岩石破坏的力学机制角度，分析动态断裂韧性与拉伸强度之间存在联系的根本原因：两者均是由于岩石内部微
文章编号：1000–6915(2010)08–1657–07
RESEARCH ON DYNAMIC FRACTURE TOUGHNESS AND TENSILE STRENGTH OF ROCK AT DIFFERENT DEPTHS
MAN Ke1，2，ZHOU Hongwei1
(1. Institute of Rock Mechanics and Fractals，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China； 2. Rock Mechanics Laboratory，Swiss Federal Institute of Technology Lausanne(EPFL)，Lausanne CH–1015，Switzerland )
重要，在工程中，多数为爆炸、冲击载荷。本文从
取自不同赋存深度下的玄武岩，分别进行了单轴拉
伸试验和动态断裂韧性测试试验，从而从试验角度
研究其拉伸强度与动态断裂韧性之间的关系，并从
力学机制进一步分析两者之间为何存在联系。
2 单轴拉伸试验过程
2.1 取样及试件制备 本试验所用的岩石为门头沟区南大岭组玄武
岩，取自北京门头沟区大台煤矿大台井田 VII，玄
J. J. Wang 等[16]通过研究黏土的断裂试验和拉 伸试验，同样发现这类材料的断裂韧性与拉伸强度
之间存在如下线形关系：
KIc = 0.354 6σ t (R2 = 0.88)
(3)
上述研究均表明，I 型断裂韧性与拉伸强度之
间有一定的联系，但是关于动态断裂韧性与强度之
间的关系，少有涉及。而这对于工程实际运用更为
σt
=
2P πDt
(4)
式中：P 为岩石试件劈裂破坏时的极限荷载；D，t 分别为岩石圆盘的直径和厚度。 2.3 试验过程
本劈裂试验采用的是自然风干的试样，在室温 的条件下进行。
第 29 卷 第 8 期
满 轲，等. 不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究
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试验前先通过试件直径的两端，沿轴线方向画 2 条相互平行的加载基线。然后调整好试验机加载 垫条的位置，沿试件的加载基线把试件置于垫条上。 接着采用手动控制的方式给试件加几个 kN 的荷载 以固定试件，加载的同时调整试件的位置，使试件 均匀受载，并使垫条和试件处于同一加载轴线上。 待试件位置调整好且放置稳定后，停止加载。这些 准备工作完成后关好防弹门。
Abstract：According to the standard test method suggested by ISRM and Standard for Test Method of Engineering Rock Mass(GB/T50266–99)，the dynamic fracture toughness and uniaxial tensile strength of the basalt specimens at different depths are measured. It is observed that there may be a certain relation between dynamic fracture toughness and tensile strength. From the point of view of rock failure mechanism，the essential reason for existing relation between dynamic fracture toughness and tensile strength is analyzed. Rock failure is due to the microcrack unstable propagation. The growth，propagation and coalescence of microcracks in rocks induced by tensile stresses lead to the failure of rock. It provides an easy method to estimate the dynamic fracture toughness by the tensile strength value according to the certain relation between dynamic fracture toughness and tensile strength. It will greatly simplify the dynamic fracture toughness test. Key words：rock mechanics；uniaxial tensile strength；dynamic fracture toughness；microcrack；rock failure mechanism
第 29 卷 第 8 期 2010 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.8 Aug.，2010
不同赋存深度岩石的动态断裂韧性 与拉伸强度研究
满 轲 1，2，周宏伟 1
(1. 中国矿业大学 岩石力学与分形研究所，北京 100083；2. 瑞士洛桑联邦理工大学 岩石力学实验室，洛桑 CH–1015)
3.1 取样及试件制备 本试验的试件与拉伸试验的试件为同一批次，
按照 ISRM 标准测试委员会 1995 年颁布的岩石类材 料 CCNBD(cracked chevron notched Brazilians disc) 断裂韧性测试标准加工试件[11]，并在此 CCNBD 基 础上，加工平台[19～21]。加工成型的试件如图 2 所示， 具体几何尺寸见表 2，相似关系式为：αB = B/R =
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岩石力学与工程学报
2010 年
与岩石破坏紧密相关的理论研究以及工程实例中， 岩石的断裂韧性是个重要的参量。迄今为止，国际 岩石力学学会 (ISRM)共推荐了 3 种测试岩石类材 料断裂韧性的方法[11，12]，尽管这些方法均为标准测 试方法，但是在对岩石的材料特性研究中并没有获 得广泛的应用。这是因为：相对较长的试件制备时 间，含预制裂纹试件的过早破坏导致的断裂韧性临 界点不易捕捉，以及在容许误差范围内如何获得满 足测试标准的预制裂纹尺寸等问题[13]。因此，迫切 需要一个简单有效的可以确定断裂韧性的方法。