岩石动态拉伸断裂特性的实验研究
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第2期
喻 勇等 岩石动态拉伸断裂特性的实验研究
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变片和半导体应变片。半导体应变片灵敏度高, 可测 到透射杆中的极微弱电信号, 且信号质量极好, 这是 普通电阻应变片所不及的。实验中弹性杆上传播的应 变信号由杆上的应变片测出, 应变信号经过超动态 应变仪放大后送入 TCL 六通道瞬态波形存贮仪, 可 以记录下各通道信号的时间历程, 信号可送入示波 器用于观察和送入计算机中进行分析处理。
3 结 论
(1) 本文采用的 SH TB 装置是进行岩石动态直接 拉伸断裂的理想设备, 这种装置可以获得加载率范围 为 103～ 104M Pa·m 1 2·s- 1的岩石断裂韧度值。
(2) 实验结果表明, 岩石的动态拉伸断裂韧度 及断裂能均高于其相应的静态值。
(3) 扫描电镜观察还发现, 岩石动静态断裂均 呈现出脆性破坏的特征, 而岩石的动态拉伸断口比 静态拉伸断口要复杂一些, 并且断裂能越大岩石断 口的镜下特征越复杂。
W L = W I- W R - W T
(6)
式中: W L 是试样消耗的能量; W I, W T , W R 分别为 入射波、透射波和反射波的能量。应力波能量的计算
公式为[6 ]
∫ W
=
AC E
Ρ2d t
(7)
式中 A , C , E , Ρ, t 分别为弹性杆的横截面积、波
速、弹性模量、应力及时间。 由于试样断裂后分成两
参考文献
图 3 大理岩断裂能与加载率的关系
大理岩单位面积断裂能与加载率的关系如图 3 所示。此处计算面积时是把岩石断口看成一个平面。 由图 3 可以看出, 动态断裂试样单位面积上的断裂
1 Co stin. Sta tic and D ynam ic F ractu re B ehavio r of O il Sha le, A STM ST P 745, 1981: 169～ 184
在假定岩石断口为平面的条件下, 岩石的单位 面积断裂能动态值是静态的 4 倍, 如果将断口表面 的粗糙程度考虑进来, 二者比值降为 3。由于本文对 岩石断口面积特别是对动态断口的总面积的估计是
相当粗略的, 而复杂断口的总面积的测定是一个技 术难度较大的问题, 更为精确的做法应引入分形几 何, 因此岩石单位断裂能是否随着加载率而变化, 仍是一个有待继续研究的课题。
1 实验方法
1. 1 岩石试件 选择圆柱形拉伸断裂试样, 尺寸为 20mm ×
100mm , 在圆柱的中间位置开一环向切缝, 缝深在 2. 2～ 4. 5mm 之间不等, 缝宽小于 1mm。
所用岩石种类为大理岩和辉长岩。 同岩种试件
均取自一均质性较好的大岩块, 岩样钻取方向相互 平行。 用 914 强力环氧树脂胶在加工好的岩样两端 粘接上等径的金属螺钉接头, 以便进行拉伸加载。 在加工试样和粘接接头的过程, 须注意试样对中精 度。
图 2 大理岩拉伸断裂韧度与加载率的关系
表 1 大理岩和辉长岩的静态拉伸断裂韧度
岩种及试样代号
断裂韧度 K M Pa·m 1 2
单值
平均值
大理岩 K1 大理岩 K2
0. 201 0. 227
0. 214
辉长岩 K3 辉长岩 K4 辉长岩 K5
0. 447 0. 329 0. 235
0. 337
表 2 大理岩和辉长岩的动态拉伸断裂韧度和加载率
断裂实验, 可作为准静态情况处理, 试样的破坏应
力只与透射波有关, 可由 (1) 式求出。动态拉伸断裂
实验中的透射信号如图 1 所示。
图 1 岩石 SH TB 实验中输出杆上的波形
材料的断裂韧度与加载率密切相关。 在断裂力
学中, 加载率的定义为应力度因子 K 对时间 t 的导
数, 为简单起见, 本文计算加载率时采用近似公式
段, 没有因碎片形成和飞出而损失系统动能的情
况, 因此可把W L 作为试样的断裂能。
能明显高于静态。计算表明, 前者是后者的 4 倍。如 果考虑断口的粗糙度, 进行粗略的断口面积测量 后, 则前者与后者的比值下降为 3。估测断口面积的 具体做法是, 将 N R 试样沿任一子午面切开, 剖面 与断裂面的交线为断口轮廓线, 在光学显微镜下测 量断口轮廓线的长度 L , L 反映了断裂面的粗糙 度。设L 与试样直径D 的比值为m , 取断口面积的 估算式为
均斜率过 C 点作一斜线与时间轴 t 相交于点 D , 则
D 点为信号的起始点。
2. 2 拉伸断裂韧度
表 1 为大理岩和辉长岩的静态拉伸断裂韧度值,
其加载率为 10- 3～ 10- 2M Pa·m 1 2 ·s- 1 量级。 表 2 为大理岩和辉长岩的动态拉伸断裂韧度及其加载率 的全部实验结果, 根据表 2 的有关数据可以得到大 理岩的动态拉伸断裂韧度随加载率的变化情况, 如 图 2 所示。 可以看出, 无论是对于大理岩还是辉长 岩, 在拉伸断裂条件下, 加载速率对其断裂韧度均有 明显影响。其表现是: ① 岩石的动态断裂韧度大于静 态断裂韧度; ② 岩石的动态断裂韧度随着加载率的 增加而呈近似于线性增加的趋势。这些结果与用 SH 2 PB 进行动态断裂研究的结果大体一致[5]。
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长江科学院院报
1998 年
件会在靠近入射杆端处与金属接头脱离开来, 因而 在本文实验条件下未能得到岩石在较高加载率下 (Kα≥2×104M Pa·m 1 2·s- 1) 的实验数据。 在以往 的研究中, 人们采用 SH PB 及静态加载等方法, 得到 了岩石在加载率大于 105M Pa·m 1 2 ·s- 1和加载率 小于 103M Pa·m 1 2 ·s- 1的断裂韧度值。 但由于实 验 设 备 的 限 制, 未 能 得 到 岩 石 在 加 载 率 为 103～ 104M Pa·m 1 2·s- 1范围内断裂韧度的实验数据。笔 者采用 SH TB 设备, 成功地获得了在这一加载率范 围内岩石断裂韧度的变化规律, 填补了这一数据段 的空白。
试样代号
加载率 Kα GPa·m 1 2·s-
1
断裂韧度
K
M Pa·m 1
2
单值
平均值
单值
平均值
6221. TM 1 6221. TM 2 6223. TM 3 6223. TM 4 6226. TM 1 7206. TM 6 7206. TM 7 7207. TM 1 7207. TM 2 7207. TM 3
Kα= K T c
(5)
式中 T c 为断裂失稳时间, 它等于 K 从 0 增加到最
大值所用的时间。 求算 T c 需判定透射信号的起始
点。 通常采用下述方法来确定信号的起始点: 在信
号波形上, 由波峰点开始逆着时间轴方向搜索, 找
到波形曲线上信号值为最大值的 1 3 点 C, 取 C 点
及其前后各 3 个点共 7 个点的斜率平均值, 以此平
2. 3 拉伸断裂过程中的能量耗散特点 岩石的断裂过程是一个能量消耗的过程, 因此
考察岩石在拉伸断裂过程中的能量耗散特点, 对于 解决工程中岩石破坏能耗过大的问题具有重要意 义。
在静态拉伸断裂实验中, 载荷- 位移曲线所包 含的面积即为岩石的拉伸断裂能。在 SH TB 动态拉 伸实验中, 可根据下式求算断裂能
9. 85 10. 6 10. 1
9. 55 6. 54 2. 79 2. 79 10. 5 4. 04 6. 69
7. 35
0. 424
0. 370
0. 385
0. 506
0. 327
0. 187
0. 293 0. 454
0. 266
0. 435
0. 365
7206. T G1 7206. T G3 7206. T G4 7206. T G5
第 15 卷 第 2 期 1998年4月
长 江 科 学 院 院 报 Jou rnal of Yangtze R iver Scien tific R esearch In stitu te
V o l. 15 N o. 2 A p r. 1 9 9 8
岩石动态拉伸断裂特性的实验研究
喻 勇 张宗贤 俞 洁 廖国华 孟春燕
A = Π(m D ) 2 4
(8)
拉伸断口的微观特征观察进一步表明, 动态断
口与静态断口均呈现出脆性断裂的特征, 但动态断
口的形貌比静态断口显得复杂 (限于篇幅试样拉伸
断口的扫描电镜照片从略)。结合上节中岩石断裂能
与加载率的关系, 不难得出这样一条结论: 岩石断 裂能越大, 其断口形貌就越复杂。
Ρ = E ΕT
(1)
∫ Ε=
2c l
Σ
ΕR d t
0
(2)
Εα=
2c l
ΕR
(3)
式中: E , c 分别为弹性杆的弹性模量和弹性波速,
l 为试样长度, t 为时间, Σ为脉冲宽度, ΕT , ΕR 分别
为透射、反射应变信号。
SH TB 输入杆和输出杆上分别贴有普通电阻应
收稿日期: 1997210209 作者简介: 喻 勇 男 长江科学院岩基研究所 博士 主要从事岩石动态断裂的实验研究及岩石力学的数值计算工作
关键词 岩石 动态 拉伸 断裂 实验 SH TB
0 前 言
岩石是一种有着许多天然缺陷的材料, 从断 裂、损伤的角度来研究岩石已经成为近年来岩石力 学研究中的一个重要方向, 而岩石的动态破坏特性 研究则是这一研究方向的前沿。拉伸型裂纹 ( 型裂 纹) , 是工程中最常见的裂纹类型, 也是最危险的 一种裂纹形式。 然而, 由于实验设备的限制, 以往 人们对岩石断裂特性的实验研究, 无论是采用三点 弯曲试样还是短棒试样[1, 2], 虽然都是研究 型裂 纹, 但并没有实现对试样的直接拉伸加载特别是动 态条件下的直接拉伸加载, 而是采取间接加载的方 式。 但是, 材料在不同的加载方式下的力学性能是 各不相同的, 有时甚至相差很大, 间接加载与直接 加载是不能完全相互代替的。 近年来出现的拉伸式 霍布金生冲击装置 (Sp lit Hop k in son T en sile B a r, 简称 SH TB ) 是研究动态、直接拉伸载荷作用下材料 力学性能的理想设备。 本文介绍了采用 SH TB 装 置, 对岩石的切口圆柱断裂试样 (N o tch Rod, 简称 N R ) 进行了动态拉伸断裂特性的实验研究成果, 并 将动态实验的结果同相应的静态拉伸断裂实验的结 果进行了比较, 还观察了在扫描电镜下岩石拉伸破 坏后的断口形貌特征。
