1.一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的测试系统,其特征在于,所述测试系统包括霍普金森压杆冲击加载单元以及静态法向应力液压加载单元;
通过静态法向应力液压加载单元向岩石试样(9)施加法向应力,通过霍普金森压杆冲击加载单元向岩石试样(9)施加动态压缩载荷。
2.根据权利要求1所述的一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的测试系统,其特征在于,所述岩石试样(9)呈长方体状,所述岩石试样(9)的顶面以及底面上分别开设有呈通槽状的试样预制裂缝(12),两个试样预制裂缝(12)相互平行。
3.根据权利要求1所述的一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的测试系统,其特征在于,所述静态法向应力液压加载单元包括静载设备框架(7)、静载支撑底座(11)以及液压加载系统(8),所述静载支撑底座(11)固定连接在静载设备框架(7)中,用于承托所述岩石试样(9);
所述液压加载系统(8)包括固定连接在静载设备框架(7)上的液压缸以及固定连接在液压缸的活塞杆上的压块,所述液压缸竖直设置于静载支撑底座(11)的上方,所述压块处于液压缸之下,并在液压缸的带动下做直线往复运动,从而向岩石试样(9)施加法向应力。
4.根据权利要求3所述的一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的测试系统,其特征在于,所述霍普金森压杆冲击加载单元包括与静载设备框架(7)位置固定的设备摆放台(6)以及连接在设备摆放台(6)上的冲击载荷发射装置(1)、入射杆(3)、透射杆(4)、吸收杆(5),所述冲击载荷发射装置(1)、入射杆(3)、透射杆(4)以及吸收杆(5)依次排列,并且入射杆(3)和透射杆(4)自静载设备框架(7)的两侧穿入静载设备框架(7)中,通过冲击载荷发射装置(1)在入射杆(3)上产生冲击载荷,从而通过入射杆(3)和透射杆(4)在岩石试样(9)的两侧端面上施加动态压缩载荷。
5.一种基于权利要求1‑4任一所述的测试系统的测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的试验方法,其特征在于,针对压缩短梁试样特定的尺寸结构,通过能量法计算得出岩石的II型动态应力强度因子 其中Sr和Lr分别为压缩短梁试样双缝跨距和试样长度,a为试样预制裂缝长度,Y(Sr/Lr)是与试样几何参数相关的物理量,τd(t)为试样实时动态剪切应力;将不同法向应力σn和加载率 条件下的试样峰值剪切应力 代入动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度值。
6.根据权利要求5所述的一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的试验方法,其特征在于,根据公式τd(t)=EbAb[εi(t)+εr(t)+εt(t)]/(2ArSrBr)计算岩石动态剪切应力τd(t),式中εi(t)、εr(t)、εt(t)分别为粘贴于入射杆(3)、透射杆(4)表面的电阻应变片采集到的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号;Ab和Ar分别为霍普金森压杆加载设备圆柱金属杆和岩石试样的横截面积尺寸,Br为岩石试样厚度,Eb为金属杆的弹性模量,动态剪切应力的最大值即为岩石的动态抗剪强度 其与静态法向应力和动态加载率相关,即
7.根据权利要求5所述的一种测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的试验方法,其特征在于,Y(Sr/Lr)是与试样几何参数相关的物理量,在试样两端面施加均布载荷情2
况下,通过有限元软件分析得到Y(Sr/Lr)=0.0881+1.3393Sr/Lr+1.8548(Sr/Lr) 。
8.一种基于权利要求1‑4任一所述的测试系统的测试岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度的试验方法,其特征在于,按以下步骤进行试验:步骤1、收录信息:收录岩石试样(9)的长度Lr、高度Hr、厚度Br以及两条试样预制裂缝(12)的平行跨距Sr、试样预制裂缝(12)的长度a;
步骤2、布置试样:先将岩石试样(9)摆放在静载支撑底座(11)上,并使得岩石试样(9)处于入射杆(3)和透射杆(4)之间;再调整岩石试样(9)的位置,使得其中的两试样预制裂缝(12)与入射杆(3)相垂直;
步骤3、施加法向应力:启动液压加载系统(8),对岩石试样(9)的顶面施加向下的垂直压力;
步骤4、开展霍普金森压杆动态冲击试验:调节步骤3中的垂直压力,在不同的法向应力环境下,通过改变冲击载荷发射装置(1)作用在入射杆(3)上的冲击载荷,实现霍普金森压杆不同冲击能量的动态加载,采集试验过程中入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号,得到多组试验数据;
步骤5、获取试验结果;
步骤5.1、根据公式τd(t)=EbAb[εi(t)+εr(t)+εt(t)]/(2ArSrBr)计算岩石动态剪切应力τd;
式中,εi(t)、εr(t)、εt(t)分别为霍普金森压杆冲击加载单元上所粘贴应变片采集到的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号;Ab和Ar分别为霍普金森压杆冲击加载单元中入射杆(3)和岩石试样(9)的横截面积尺寸;Eb为入射杆(3)的弹性模量;
动态剪切应力的最大值即为岩石的动态抗剪强度 其与静态法向应力和动态加载率相关,即
步骤5.2、通过能量法计算得出岩石的II型动态应力强度因子其中a为预制裂缝(12)的长度,Y(Sr/Lr)是与试样几何参数相关的物理量,在试样两端面施加均布载荷情况下,通过有限元软件分析得到Y(Sr/Lr)=2
0.0881+1.3393Sr/Lr+1.8548(Sr/Lr) ;
步骤5.3、将不同法向应力σn和加载率 条件下的步骤5.1得出的试样峰值剪切应力代入步骤5.2中的动态应力强度因子计算公式即可获得岩石不同法向应力下II型动态断裂韧度值。