岩石强度的时间效应

岩石强度的时间效应

一、亚临界裂纹扩展速度与岩石力学特性20世纪70年代以来，人们对断裂力学在岩石力学中的应用越来越感兴趣。作为岩石断裂力学强度指数的断层强度，国内科学家进行了一些测试和研究，但在岩石断裂力学研究中研究岩石力的时间效应方面还不够。按照断裂力学原理和应力腐蚀理论,当张开型裂纹尖端的应力强度因子KI达到断裂韧度值KIC时,裂纹就会快速扩展,当其KI值小于KIC时,裂纹扩展则以应力腐蚀亚临界裂纹扩展速度稳定地进行。对于岩石、玻璃、陶瓷等脆性材料,裂纹的快速扩展通常是在亚临界扩展之后发生的,这便导致岩石等材料的强度与时间有必然的联系。测定亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子的关系KI-V和断裂韧度KIC,便能预测I型断裂在一定的受力条件下,经过多长时间会扩展到临界裂纹长度,从而导致结构破坏,这给岩石力学研究提供了一种新的方法。岩石的KI-V关系也和岩石的流变力学模型一样,可看作是反映岩石强度时间效应的一种力学特性,目前,在国外已开始应用KI-V关系预测岩石结构的服务年限和进行地震预报的研究。因此,测定岩石的KI-V关系和KIC是一项很有意义的工作,而应用双扭方法能同时测得岩石的这两种力学特性的参数。双扭方法首先于1966年提出,1972年由Evans和Williams进一步完善,它最先用于研究玻璃和陶瓷材料的断裂性质,1977年之后,Henry,Atkinson,Swanson等人将其应用于岩石。双扭方法在岩石中的应用,很多问题还待深入研究,如双扭试件的尺寸效应,测试数据的有效性和岩石的KI-V关系的规律性,本文用双扭方法对3种岩石的KI-V关系和5种岩石的KIC进行了实验测定和研究。二、双扭试件的ki-v模型双扭试件如图1所示,试件是长为L,宽为W,厚为d的薄板,要求试件宽度远大于厚度,在板的下面沿L方向的轴线对称地开有一中通槽,以使裂纹沿中槽扩展,槽部深度为dn。在靠试件的四个角处施加支承,在其一端加载,载荷为P/2,这相当于在试件一端施加一对P/2×Wm的扭矩,Wm为力臂。当双扭试件宽厚比很大时,可认为扭转加载时的剪应变和未破裂部分的弯曲可以忽略,此时可推导出裂纹尖端应力强度因子的表达式为式中v为材料的泊桑比。设试件压断时的载荷为Pm,代入式(1)即得材料的断裂韧度KIc为双扭试件测KI-V关系有两种方法:常位移率法和常位移松驰法。常位移松驰法较容易实现,当固定荷载点位移时,裂纹扩展速度为式中Pi,ai为载荷和裂纹长度的初值;pf,af为末值;为载荷的松驰率。三、测试(一)动态应变仪测试使用Instron1342伺服试验机,额定载荷250kN。试验装置如图2(a)所示,力传感器为BLR-12型,量程500N,输出接YD-15型动态应变仪,力和时间由X-Y函数记录仪记录。放置试件的底板上开有半球形空洞,以搁置直径为4mm的钢珠,试件由4粒钢珠支承。压头上也嵌有两粒钢珠,为保证两钢珠与试件均匀接触,还设置了一个可转动的圆弧面,用黄油润滑。钢珠加载的方式(见图2(b))可保证试件受力为点载荷,而且可减小加载点的横向摩擦。(二)细粒大理岩试件试验用岩石为取自湖南宜章的细粒和粗粒大理岩、取自中条山铜矿峪矿的变质花岗闪长岩、变质基性侵入岩和绢云母石英岩,各种岩石的力学性质见表1。双扭试件要求试件厚度大于颗粒平均尺寸的5倍,试件宽厚比大于12。测KIc的试件尺寸为110mm×64mm×4mm,测KI-V的试件尺寸为180mm×64mm×4mm。为考察双扭试件的尺寸效应,还加工有测KIc的另两种细粒大理岩试件:70mm×35mm×2mm和120mm×94mm×6mm。试件上中槽宽为2mm,深为试件厚度的三分之一。试件用岩石切割机切制,金刚石锯片手工锯槽,金刚砂水磨机磨平,上下表面平行度误差小于0.05mm。(三)试验中的预裂采用Atkinson建议的慢加载方法,加载速率为5×10-3cm/min,预裂纹长度约为试件宽度。(四)测试/rc以20mm/min的位移速度将试件压断,记录压断时载荷Pm。(五)预裂载荷试验在伺服试验机上为提高保持位移不变的精度,用外接引伸计实现位移的应变控制,引伸计安装在压头与底板之间。试验时先以5～20mm/min的位移速度快速加载,当载荷达到预裂时最大载荷的95%左右时,停止加载,保持载荷点位移不变,作力的松驰试验,记录力随时间的松驰曲线(图3)。随着时间的延长,力的松驰越来越小,当看不到明显的松驰时,提起压头,试验完毕,整个松驰试验时间为15～40min。为考察水对裂纹扩展的影响,部分试件在pH=6.7的蒸馏水中浸泡3天后,拿出来在含水饱和的状态下进行测试。由于试验用的岩石,在浸入染色液后很快被全部浸透,试件沿裂纹分开后无法确定裂纹长度。但在经过磨光的试件表面,裂纹清晰可见,故裂纹长度采用直尺直接量取。四、试验结果和分析(一)结果与讨论c细粒大理岩不同尺寸试件所测KIc如表2所示,其它4种岩石的KIc值如表3所示。1.试件所测质量试验所用大理岩取自宜章,赵小明、李春林等也用这种宜章大理岩制备了三点弯和短棒试件测KIc,各种试件所测值如表4所示。从表中可见,双扭试件所测粗粒大理岩的KIc值与其它试件所测值基本一致,由于各种试件并非取自同块岩石,所测结果存在一些差异。2.试件厚度对apec值的影响对于细粒大理岩,将表2所示的KIc与d的关系用图4表示。再将散点线性回归,得回归方程为KIc=1.27+0.01d,回归直线基本上是水平的,这说明用不同厚度的试件测得的KIc值在同一水平上,当试件厚度大于一定值(对细粒大理岩此值不超过2mm)时,KIc测值不随试件厚度的变化而变化。(二)试样测试结果在记录的松驰曲线上,量取许多点的P和,算出KI和V,则得以多组散点表示的KI-V关系。以往研究者就应力腐蚀亚临界裂纹扩展现象提出过一些理论,主要有Charles理论与Hillig和Charles理论,两理论推导出的KI-V关系方程分别可表示为双对数空间的线性函数lgV=a1+b1lgKI(Charles方程),与半对数空间的线性函数lgV=a2+b2KI(Hillig和Charles方程)。将KI-V散点按Clarles方程与Hillig和Clarles方程回归(回归方程如表5所示),再将KI-V散点和Charles回归曲线表示在KI-V双对数空间上,(图5)。1.由表5可见,对每次松驰所得的同一组数据,接Charles方程与Hiilig和Charles方程回归的相关系数一般都在0.99以上,最低不小于0.97,考虑样本点的数量,查表可知,在显著性水平α=0.01上,用两种方程回归的相关性都是明显的,这表明实验结果与Charles理论及Hillig和Charles理论都相符合,两种理论都能很好地解释岩石亚临界裂纹扩展的规律。2.对粗粒大理岩和变质花岗闪长岩,在试件不含水和含水饱和两种条件下测定了KI-V关系,从图5和表5可见,两种岩石在含水条件下的裂纹扩展速度明显增大,说明水能加速裂纹扩展。对于粗粒大理岩,含水条件下的Charles回归直线斜率b,减小了约0.7倍,对于变质花岗闪长岩,b,减小了约1.3倍,这说明,对于不同岩石,水对亚临界裂纹扩展的影响也不同。3.对于同种岩石,每次试验得到的KI-V关系方程离散性很大,且岩石不同,离散程度也不同,变质花岗闪长岩和绢云母石英岩试验结果回归系数的均方差比粗粒大理岩的对应值一般大2～10倍。松驰试验所测KI-V关系离散性大是由于岩石本身的矿物成分、颗粒大小和力学性质的不均质所引起。粗粒大理岩较为均质致密,矿物成分简单,变质花岗闪长岩和绢云母石英岩矿物成分复杂,肉眼可见各种不同的矿物零乱分布,因此,后者比前者的测试结果离散性大。对于玻璃、陶瓷等致密均质的材料,《JournaloftheAmericanCeramicsSociety》杂志发表过多篇测KI-V关系的论文。研究者都没有将试验结果离散性大作为问题提出来,而对岩石材料,以往研究者也同样遇到离散性大这一问题。试验结果离散性在玻璃和岩石上的差异,也说明岩石试验结果离散性大是由于岩石材料的不均质所引起。五、双扭试验结果1.试验所测三种岩石的KI-V关系在双对数空间和半对数空间呈线性规律。2.裂纹中的水能明显加速岩石的亚临界裂纹扩展,且其影响程度随岩石不同而异。3.试验所测岩石的KI-V关系离散性大,这是由于岩石材料的不均质所引起。4.双扭试件所测宜章粗粒大理岩的KIc与三点弯试件和短棒试件所测值基本一致。5.对于2,4,6mm三种双扭试件厚度,双扭方法所测宜章细粒大理岩的KIc值不随试件厚度变化。6.用双扭试件测KIC时