本發(fā)明涉及一種巖石斷裂力學(xué)試驗方法，尤其是一種基于三點彎曲試驗對巖石Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程進(jìn)行檢測的方法。

背景技術(shù)：

關(guān)于巖石裂紋的擴(kuò)展過程研究，目前比較通用的是采用高速攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝，然后得出相對定性的結(jié)果。隨著計算機(jī)軟件的發(fā)展，非接觸式量測逐漸普及，效果較為顯著的應(yīng)屬基于數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）原理的數(shù)字照相應(yīng)變場量測技術(shù)。數(shù)字照相應(yīng)變場量測可以理解為利用高清數(shù)碼相機(jī)等圖像采集設(shè)備，首先對觀測目標(biāo)進(jìn)行照相，利用數(shù)字圖像分析軟件在計算機(jī)上進(jìn)行目標(biāo)變形計算或特征識別的一種現(xiàn)代量測新技術(shù)。該方法可以實現(xiàn)動態(tài)、高速采集，但是由于裂紋擴(kuò)展過程的復(fù)雜性，數(shù)字照相量測方法僅能獲得裂紋附近的應(yīng)變場等演化特征，而無法定量判斷裂紋的宏觀起裂以及獲得裂紋擴(kuò)展全過程的信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有測試手段的不足，提供一種簡便、精確的基于三點彎曲試驗的巖石Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程檢測方法。

本發(fā)明基于三點彎曲試驗的巖石Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程檢測方法，包括如下步驟：

a.首先對需測試的工程巖體取樣，試樣經(jīng)切割、打磨等工序，制作成扁平狀長方體試件，稱作三點彎曲試件，并在中部預(yù)制一條Ⅰ型裂紋。所述Ⅰ型裂紋的裂紋面與試件長邊垂直并位于長邊中部。在試件的側(cè)面（Ⅰ型裂紋面的垂直面）Ⅰ型裂紋上方指定一個分析區(qū)域，在試件的指定分析區(qū)域進(jìn)行噴射散斑處理，以利于后續(xù)數(shù)字圖像的分析計算。

b.將三點彎曲試件平整地放置于三點彎曲試驗機(jī)上，使得Ⅰ型裂紋開口向下，對三點彎曲試件進(jìn)行三點彎曲試驗。在三點彎曲試件的正前方設(shè)置高速相機(jī)，高速相機(jī)鏡頭高度與三點彎曲試件平行，高速相機(jī)鏡頭處于Ⅰ型裂紋所在的豎直面內(nèi)。在三點彎曲試驗進(jìn)行的同時，高速相機(jī)對試件上的指定分析區(qū)域進(jìn)行全過程連續(xù)高速拍照（拍照速度根據(jù)現(xiàn)有相機(jī)拍照技術(shù)條件和采集數(shù)字圖像技術(shù)分析的需要，而設(shè)定），采集數(shù)字圖像。

c.采用目前比較通用的基于數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）原理的數(shù)字照相應(yīng)變場量測軟件，對采集到的三點彎曲試件試驗全過程的數(shù)字圖像進(jìn)行一一分析，獲得三點彎曲試件的指定分析區(qū)域試驗全過程的水平拉應(yīng)變ε_h。

d.由于三點彎曲作用下，Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展路徑具有唯一性，即沿著裂紋方向發(fā)展，試驗完以后三點彎曲試件會斷裂成幾乎對稱的兩塊，在斷裂完以后的三點彎曲試件的指定位置進(jìn)行取芯，并通過打磨等工序，制作成巴西劈裂圓盤試樣。

e.在巴西劈裂圓盤試樣正中心水平方向粘貼應(yīng)變片，并與靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀連接，將巴西劈裂圓盤試樣豎直放置于壓力試驗機(jī)上，圓盤上下各墊一條剛性墊條，試驗機(jī)壓頭作用于剛性墊條，然后開始尖端式巴西劈裂試驗，通過處理應(yīng)變片采集的信息，獲得圓盤試樣的極限拉應(yīng)變ε_T。

f將巴西劈裂試驗獲得的極限拉應(yīng)變ε_T與三點彎曲試驗全過程的指定分析區(qū)域（4）的水平拉應(yīng)變ε_h一一對應(yīng)對比，獲得三點彎曲試件Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程中各個位置的水平拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變ε_T時的時間節(jié)點。

g.根據(jù)第二強(qiáng)度準(zhǔn)則，獲得三點彎曲作用下巖石Ⅰ型裂紋的裂紋起裂荷載、起裂能以及裂紋擴(kuò)展速度等全過程信息。

所述三點彎曲試件，長度與高度的比值在2.5-4.0之間，其厚度W為25～50mm。

所述三點彎曲試件的Ⅰ型裂紋的寬度≦1.5mm（其最小值不做限定，以切割技術(shù)產(chǎn)生的切割縫隙最小寬度為限）。Ⅰ型裂紋的深度為試件高度的0.35-0.50倍。

本發(fā)明與現(xiàn)有的判別巖石Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程的方法相比，具有操作簡易、試驗結(jié)果更加精確等優(yōu)點。本發(fā)明通過對三點彎曲試驗后的試件進(jìn)行取芯并獲得巴西劈裂圓盤試樣，再對圓盤試樣進(jìn)行巴西劈裂試驗，得到圓盤試樣的極限拉應(yīng)變，因為圓盤試樣本身就取自斷裂后的三點彎曲試件，圓盤試樣的極限拉應(yīng)變即為三點彎曲試件的極限拉應(yīng)變；得到三點彎曲試件的極限拉應(yīng)變ε_T后，由ε_T一一對應(yīng)指定分析區(qū)域全過程的應(yīng)變場，就可以獲得三點彎曲試件Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程中各個位置的水平拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變ε_T時的時間節(jié)點。同時，通過本發(fā)明方法，可以準(zhǔn)確的獲得三點彎曲作用下巖石Ⅰ型裂紋起裂荷載、起裂能以及裂紋擴(kuò)展速度等全過程信息。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法三點彎曲試驗示意圖。

圖2本發(fā)明方法巴西圓盤取樣位置示意圖。

圖3本發(fā)明方法巴西劈裂試驗示意圖。

圖4基于巴西劈裂試驗的巖石極限拉應(yīng)變確定示意圖。

圖5本發(fā)明方法三點彎曲試件立體示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施列對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明基于三點彎曲試驗的巖石Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程檢測方法，具體如下：

首先對試驗工程巖體取樣并制成扁平狀長方體試件1（三點彎曲試件），并在其中部預(yù)制一條Ⅰ型裂紋2。所述Ⅰ型裂紋的裂紋面與試件長邊垂直并位于長邊中部。一般地，三點彎曲試件的Ⅰ型裂紋的深度h為試件高度H的0.35-0.50倍。

對試件進(jìn)行三點彎曲試驗（見圖1）。首先按照圖1所示的方式，放置好三點彎曲試件。將三點彎曲試件平整的放置于三點彎曲試驗機(jī)上，下端面兩側(cè)各有一個墊條，上端面中部為一個墊條，Ⅰ型裂紋的開口向下，作用力F作用在Ⅰ型裂紋的正上方。試驗前在試件的指定分析區(qū)域4進(jìn)行噴射散斑處理。在三點彎曲試件的正前方設(shè)置高速相機(jī)3，高速相機(jī)鏡頭高度與三點彎曲試件1平行，高速相機(jī)鏡頭處于Ⅰ型裂紋2所在的豎直面內(nèi)。在三點彎曲試驗進(jìn)行的同時，高速相機(jī)對試件上的指定分析區(qū)域4進(jìn)行全過程連續(xù)高速拍照（拍照速度根據(jù)現(xiàn)有相機(jī)拍照技術(shù)條件和采集數(shù)字圖像技術(shù)分析的需要，而設(shè)定），采集數(shù)字圖像。

配合數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）對指定分析區(qū)域4進(jìn)行實時觀測與記錄，對采集到的三點彎曲試件試驗全過程的數(shù)字圖像進(jìn)行一一分析，獲得三點彎曲試件的指定分析區(qū)域試驗全過程的水平拉應(yīng)變ε_h。

由于三點彎曲作用，Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展路徑具有唯一性，即沿著裂紋方向發(fā)展，試件經(jīng)過三點彎曲試驗后發(fā)生斷裂，在斷裂完以后的試件的指定位置5進(jìn)行取芯（見圖2），并制成巴西劈裂圓盤試樣6。

在巴西劈裂圓盤試樣6正中心水平方向粘貼應(yīng)變片7，并與靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀8連接，將巴西劈裂圓盤試樣6豎直放置于普通壓力試驗機(jī)上，圓盤上下各墊一條剛性墊條9，試驗機(jī)壓頭作用于剛性墊條9，然后開始尖端式巴西劈裂試驗，通過處理應(yīng)變片采集的信息，獲得巴西劈裂圓盤試樣6的極限拉應(yīng)變ε_T。

將巴西劈裂試驗獲得的極限拉應(yīng)變ε_T與三點彎曲試驗全過程的指定分析區(qū)域（4）的水平拉應(yīng)變ε_h一一對應(yīng)對比，獲得三點彎曲試件Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程中各個位置的水平拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變ε_T時的時間節(jié)點（見圖4）。

根據(jù)第二強(qiáng)度準(zhǔn)則，獲得三點彎曲作用下巖石Ⅰ型裂紋起裂荷載、起裂能以及裂紋擴(kuò)展速度等全過程信息。

具體檢測：首先對高H、長L、厚W分別為60mm、160mm、30mm的扁平狀長方體砂巖試樣中部切割一條Ⅰ型裂紋2，Ⅰ型裂紋深度h為27.5mm，裂紋寬度f約0.5mm，在Ⅰ型裂紋上方標(biāo)出試件的指定分析區(qū)域4，為50×30mm的長方形區(qū)域，進(jìn)行噴射散斑處理，然后將三點彎曲試樣平整放置于三點彎曲試驗機(jī)上，進(jìn)行三點彎曲試驗，試驗時采用位移加載方法，加載速率為1.33×10^-3mm/s；在三點彎曲試驗進(jìn)行的同時，采用一個高速攝像機(jī)在試件正前方對試件上的散斑分析區(qū)域進(jìn)行全過程連續(xù)高速拍照，采集數(shù)字圖像，拍攝速度為每秒鐘20張照片。三點彎曲試驗結(jié)束過后，采用基于數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）原理的PhotoInfor數(shù)字照相應(yīng)變場量測軟件，對采集到的三點彎曲試件試驗全過程的數(shù)字圖像進(jìn)行分析，獲得散斑分析區(qū)域的全過程水平應(yīng)變ε_h。三點彎曲試驗結(jié)束以后三點彎曲試件斷裂成幾乎對稱的兩塊，在斷裂完以后的試件的指定位置進(jìn)行取芯，并通過打磨等工序，制作成巴西劈裂圓盤試樣，尺寸為Φ50×30mm。在圓盤試樣正中心水平方向粘貼應(yīng)變片，并與靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀連接，將巴西劈裂圓盤試樣豎直放置于普通壓力試驗機(jī)上并開始尖端式巴西劈裂試驗（試驗速率為1.33×10^-3mm/s），獲得圓盤試樣的極限拉應(yīng)變ε_T為0.85×10^-3。將巴西劈裂試驗獲得的極限拉應(yīng)變ε_T（ε_T=0.85×10^-3）與三點彎曲試驗全過程的指定分析區(qū)域（4）的水平拉應(yīng)變ε_h一一對應(yīng)對比，獲得三點彎曲試件Ⅰ型裂紋擴(kuò)展全過程中各個位置的水平拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變ε_T（ε_T=0.85×10^-3）時的時間節(jié)點。根據(jù)第二強(qiáng)度準(zhǔn)則，獲得三點彎曲作用下巖石Ⅰ型裂紋的裂紋起裂荷載、起裂能以及裂紋擴(kuò)展速度等全過程信息，其中獲得該試樣的極限拉應(yīng)變?yōu)?.85×10^-3，起裂荷載為0.341kN，中間截面的起裂撓度為0.075mm。