圓盤試件預(yù)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(shè)計(jì)思想主要立足于外加載荷與使用材料的強(qiáng)度級(jí)別選用，即認(rèn)為構(gòu)件的服役應(yīng)力小于材料的極限強(qiáng)度（脆性材料）或屈服強(qiáng)度（塑性材料），構(gòu)件是安全的。這種考慮問題的出發(fā)點(diǎn)是合理的，也應(yīng)當(dāng)是行之有效的，因而多年來這種設(shè)計(jì)思想在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。但是上個(gè)世紀(jì)40年代以后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，各種設(shè)備、結(jié)構(gòu)的大型化，激發(fā)了對高強(qiáng)度材料、超高強(qiáng)度材料的需求，許多按常規(guī)設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出來的合

2、乎常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備構(gòu)件發(fā)生斷裂事故的報(bào)導(dǎo)不斷出現(xiàn)。橋梁斷裂、油輪斷裂、飛機(jī)失事、鍋爐爆炸等，相當(dāng)多的事故均發(fā)生于低應(yīng)力情況下的破斷[1]。這一系列的低應(yīng)力破斷事故引發(fā)了人們的思考，即按照傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的構(gòu)件是否能保證構(gòu)件的運(yùn)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(biāo)尚未被人們理解和發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過人們不懈的努力，一個(gè)新的衡量材料的抗斷裂性能指標(biāo)被發(fā)現(xiàn)，一門新興的學(xué)科斷裂力學(xué)發(fā)展起來了[2]。斷裂力學(xué)可應(yīng)用于防止或預(yù)測由工程材料

3、破裂引起的結(jié)構(gòu)災(zāi)變性破壞，也可應(yīng)用到飛機(jī)、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(yīng)用也日益重要起來[5]。巖石斷裂力學(xué)是在借鑒金屬材料斷裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)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(kuò)展過程為研究內(nèi)容，以探究巖石材料斷裂機(jī)理為研究目標(biāo)。巖石斷裂韌度是巖石斷裂力學(xué)中最為重要的參數(shù)和指標(biāo)，它表征巖石材料抵抗裂紋擴(kuò)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(zhǔn)確測定，對巖體工程實(shí)踐具有重大意義。斷裂韌度在巖體結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用有[6]：（1）作為巖石材料分級(jí)的參量。（2）作為巖石破碎過程（例如隧道掘進(jìn)及模型爆破）的指標(biāo)。（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(shè)計(jì)的實(shí)例中，巖石斷裂韌度并不是唯一引入

5、的強(qiáng)度參數(shù)。然而人們認(rèn)識(shí)到，當(dāng)巖體中有一些微空隙和裂紋存在時(shí)，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(diǎn)彎曲圓棒試樣（chevronnotchedthreepointbendroundbarspecimenCB）[10]，見圖12。為了驗(yàn)證建議方法，由8個(gè)國家的巖石斷裂力學(xué)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(jìn)行巖石斷裂韌度測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由不同實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果相當(dāng)一致，但同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性修正時(shí)，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(guān)，另一方面與巖石顆粒尺寸有關(guān)。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(kuò)展呈折線進(jìn)行，且偏離中線

7、。同時(shí)，當(dāng)裂紋在V形切口處萌生瞬間，其長度往往達(dá)到或超過臨界裂紋長度，造成在試驗(yàn)時(shí)試樣在載荷較低時(shí)就發(fā)生彎曲，非線形加大，非線形修正時(shí)的臨界載荷值偏低，導(dǎo)致修正后的斷裂韌度值小于未進(jìn)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(dāng)裂紋在V形切口處萌生時(shí)，其長度往往不能達(dá)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(kuò)展后才能達(dá)到臨界裂紋長度，試樣在載荷較高時(shí)才發(fā)生彎曲，所以非線形修正時(shí)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(shí)的載荷較小、巖芯取樣不易、加載系統(tǒng)相對復(fù)雜、試樣制備繁瑣等問題。1995年，國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)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(yàn)設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)，并且容易實(shí)現(xiàn)復(fù)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(yàn)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(yīng)力強(qiáng)度因子。其中，Ymin可通過數(shù)值計(jì)算先于試驗(yàn)獲得。Ymin作為斷裂韌度公式中的關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)，其精確標(biāo)定關(guān)系著斷裂韌度值的可靠性。ISRM給出了CCNBD標(biāo)準(zhǔn)試樣的各項(xiàng)參數(shù)，并給出了相應(yīng)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