圓盤試件預制裂縫形狀對其測試巖石斷裂韌度的影響性研究.pdf

1、1緒論1緒論1.1引言為了防止構(gòu)件的斷裂或變形失效，傳統(tǒng)的安全設計思想主要立足于外加載荷與使用材料的強度級別選用，即認為構(gòu)件的服役應力小于材料的極限強度（脆性材料）或屈服強度（塑性材料），構(gòu)件是安全的。這種考慮問題的出發(fā)點是合理的，也應當是行之有效的，因而多年來這種設計思想在工程設計中發(fā)揮了重要作用。但是上個世紀40年代以后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，各種設備、結(jié)構(gòu)的大型化，激發(fā)了對高強度材料、超高強度材料的需求，許多按常規(guī)設計思想設計出來的合

2、乎常規(guī)標準的設備構(gòu)件發(fā)生斷裂事故的報導不斷出現(xiàn)。橋梁斷裂、油輪斷裂、飛機失事、鍋爐爆炸等，相當多的事故均發(fā)生于低應力情況下的破斷[1]。這一系列的低應力破斷事故引發(fā)了人們的思考，即按照傳統(tǒng)強度設計思想設計的構(gòu)件是否能保證構(gòu)件的運行安全，或者是否還存在著一種材料抵抗破壞能力的性能指標尚未被人們理解和發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過人們不懈的努力，一個新的衡量材料的抗斷裂性能指標被發(fā)現(xiàn)，一門新興的學科斷裂力學發(fā)展起來了[2]。斷裂力學可應用于防止或預測由工程材料

3、破裂引起的結(jié)構(gòu)災變性破壞，也可應用到飛機、船舶、壓力容器、地下管道以及近海結(jié)構(gòu)工程等安全分析和評定[34]。在地質(zhì)材料如巖石和混凝土開裂問題中，它的應用也日益重要起來[5]。巖石斷裂力學是在借鑒金屬材料斷裂力學理論的基礎上發(fā)展起來的新興邊緣學科。它以巖石斷裂韌度為基本參數(shù)，以巖石材料裂紋起裂及擴展過程為研究內(nèi)容，以探究巖石材料斷裂機理為研究目標。巖石斷裂韌度是巖石斷裂力學中最為重要的參數(shù)和指標，它表征巖石材料抵抗裂紋擴展的能力或產(chǎn)生新裂

4、紋表面所需克服的阻力，是巖石材料固有的屬性。巖石斷裂韌度的準確測定，對巖體工程實踐具有重大意義。斷裂韌度在巖體結(jié)構(gòu)工程中的應用有[6]：（1）作為巖石材料分級的參量。（2）作為巖石破碎過程（例如隧道掘進及模型爆破）的指標。（3）作為模擬巖石破碎過程、穩(wěn)定性分析及解釋某些地質(zhì)特征的材料特性，這里所指的巖石破碎包括巖石切割、水壓致裂、氣壓致裂、氣井的爆破激發(fā)、徑向爆炸致裂、坑口爆破等。在巖體結(jié)構(gòu)或工程設計的實例中，巖石斷裂韌度并不是唯一引入

5、的強度參數(shù)。然而人們認識到，當巖體中有一些微空隙和裂紋存在時，選用斷裂韌度可能比其1緒論V形切口試樣用于測定巖石的Ⅰ型斷裂韌度值：一種是人字形切槽短圓棒試樣（chevronnotchedshtrodspecimenSR）；另一種是三點彎曲圓棒試樣（chevronnotchedthreepointbendroundbarspecimenCB）[10]，見圖12。為了驗證建議方法，由8個國家的巖石斷裂力學專家組成的聯(lián)合斷裂測試小組，共同使用

6、Westerly花崗巖、Bohus花崗巖和Ogino凝灰?guī)r制成的SR和CB試樣進行巖石斷裂韌度測試實驗。實驗結(jié)果表明，由不同實驗室測試的結(jié)果相當一致，但同時也存在一些問題。主要是使用CB試樣對較硬的巖石（花崗巖等）實驗結(jié)果進行非線性修正時，修正后的斷裂韌度值小于未修正的值。其原因一方面與試樣形狀有關，另一方面與巖石顆粒尺寸有關。CB試樣的起始裂紋長度與臨界裂紋長度的距離較短，對于晶粒較粗的花崗巖，試樣受載后裂紋擴展呈折線進行，且偏離中線

7、。同時，當裂紋在V形切口處萌生瞬間，其長度往往達到或超過臨界裂紋長度，造成在試驗時試樣在載荷較低時就發(fā)生彎曲，非線形加大，非線形修正時的臨界載荷值偏低，導致修正后的斷裂韌度值小于未進行修正的值。SR試樣的起始裂紋長度與臨界裂紋長度的距離較長，當裂紋在V形切口處萌生時，其長度往往不能達到臨界裂紋長度。隨著加載載荷持續(xù)增大，SR試樣裂紋經(jīng)過穩(wěn)定擴展后才能達到臨界裂紋長度，試樣在載荷較高時才發(fā)生彎曲，所以非線形修正時的臨界載荷值接近最大載荷值

8、。此外，這兩種試樣還存在引發(fā)斷裂時的載荷較小、巖芯取樣不易、加載系統(tǒng)相對復雜、試樣制備繁瑣等問題。1995年，國際巖石力學協(xié)會又推薦了一種人字形切槽巴西圓盤試件（crackedchevronnotchedBraziliandisc—CCNBD）測試巖石Ⅰ型斷裂韌度的方法[12]，見圖12。該圓盤試樣具有體積小，加載方便，對試驗設備要求不高等優(yōu)點，并且容易實現(xiàn)復合型斷裂模式的加載。使用CCNBD試樣測定巖石Ⅰ型斷裂韌度的公式為：maxIc

9、minPKYBD?（11）式中：Pmax為試驗加載最大載荷，B為試樣厚度，D是圓盤直徑，Ymin為試樣的最小無量綱應力強度因子。其中，Ymin可通過數(shù)值計算先于試驗獲得。Ymin作為斷裂韌度公式中的關鍵參數(shù)出現(xiàn)，其精確標定關系著斷裂韌度值的可靠性。ISRM給出了CCNBD標準試樣的各項參數(shù)，并給出了相應的Ymin值。隨后，Chen采用邊界元法[13]，Xu[14]和Fowell[15]分別使用柔度法和邊界元法都對，CCNBD試樣的Ymi