短棒型压缩方法测量岩石Ⅱ型断裂韧度的有效性

剪切断裂是深部岩石常见的破坏模式，但准确测量岩石 Ⅱ 型断裂韧度在岩石断裂力学中极具挑战。在各种测量Ⅱ型断裂韧度的方法中，短棒型压缩(短梁压缩和短芯压缩)方法因其简易便捷而被广泛使用，然而该方法的有效性目前还存在争议。鉴于此，对不同切槽分离比(切槽间距C/试样高度H=0.1，0.2，0.3)的短梁压缩(short beam in compression，SBC)试样开展了有限元数值分析和静力单轴压缩试验以确定起裂模式和起裂位置，并建立了考虑奇异应力和三分量T应力的断裂准则用于确定切槽尖端的起裂模式和裂纹起裂角。此外，采用位移外推法和有限元法确定了SBC试样的应力强度因子和T应力。在应力分布分析的基础上，使用库仑摩擦模型对SBC方法测量的岩石Ⅱ型断裂韧度值进行了修正。研究结果表明：(1)当C/H=0.1 和0.2时，SBC试样的切槽尖端发生纯剪切断裂，并且从切槽尖端向岩桥中间延伸，表明短棒型压缩方法是测量岩石Ⅱ型断裂韧度的有效方法;(2)改进的断裂准则预测的剪切裂纹起裂角与预制切槽基本垂直，与实验观察结果吻合较好;(3)由于切槽尖端存在压应力，有必要使用库仑摩擦模型对SBC方法测量的岩石Ⅱ型断裂韧度值进行修正;(4)剪切断裂过程区长度和修正后的Ⅱ型断裂韧度均与C/H值有关，较小的C/H会导致Ⅱ型断裂韧度测量值与修正值间存在较大误差;(5)采用短棒型压缩方法测量岩石Ⅱ型断裂韧度时，应在保证试样两侧不发生拉伸破坏的同时尽可能增大两切槽间距。