[发明专利]一种页岩断裂韧性测试试样的加工及测试装置和方法

权利要求书

1.一种页岩断裂韧性测试试样的加工装置，其特征在于，所述加工装置包括：金属板夹具(1)、钢丝锯(2)、橡胶垫(7)；

其中，2个所述金属板夹具(1)相对布置，两个所述金属板夹具(1)相对的面上各设置有一橡胶垫(7)，2个所述金属板夹具(1)之间通过六角螺母(3)、六角螺栓(4)和金属垫圈(5)固定，2个所述金属板夹具(1)中部设有用于对钢丝锯条进行直线导向导槽(12)；使用时，将钻孔加工后的页岩岩芯试样(6)设置在所述橡胶垫(7)之间，两个所述金属板夹具(1)通过六角螺母(3)、六角螺栓(4)和金属垫圈(5)固定连接在一起，从而将所述页岩岩芯试样(6)夹持在橡胶垫(7)之间；钢丝锯(2)的钢丝锯条穿过所述页岩岩芯试样(6)圆心处的钻孔与所述金属板夹具(1)中的导槽(12)，从而通过导槽(12)对钢丝锯(2)进行引导，对所述页岩岩芯试样(6)圆心处的钻孔进行加工，以将钻孔加工成直切槽，从而将所述页岩岩芯试样(6)加工成直切槽巴西圆盘法试样，即得到所述页岩断裂韧性测试试样。

2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，该加工装置还包括试验装置，所述试验装置包括：上下金属压头(8)、力学通用试验机(9)、引申仪(10)和数据采集计算机(11)；

其中，所述上下金属压头(8)置于所述力学通用试验机(9)工作面上，所述引申仪(10)的测量传感器贴在所述上下金属压头(8)上，所述引申仪(10)和所述力学通用试验机(9)分别通过数据线与计算机(11)相连。

3.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述钢丝锯的直径为0.26-0.38mm。

4.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述页岩岩芯试样(6)为圆盘形，其直径为60-100mm，厚度为25-40mm，所述页岩岩芯试样(6)圆心处设有钻孔，所述钻孔采用磨钻加工，钻孔为圆孔，其直径控制在2-3mm。

5.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述导槽(12)的宽度为0.5mm，长为50mm。

6.一种采用权利要求1所述的加工装置对页岩断裂韧性测试试样进行加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、在页岩岩芯试样(6)圆心处进行钻孔加工；

步骤(2)、在金属板夹具(1)上加工出导槽，所述金属板夹具(1)为两个，两个所述金属板夹具(1)相对布置，两个所述金属板夹具(1)相对的面上各设置有一橡胶垫(7)，所述页岩岩芯试样(6)设置所述橡胶垫(7)之间，两个所述金属板夹具(1)通过固定装置连接在一起，从而将所述页岩岩芯试样(6)夹持在橡胶垫(7)之间；

步骤(3)、将钢丝锯(2)的钢丝锯条穿过所述页岩岩芯试样(6)圆心处的钻孔与所述金属板夹具(1)中的导槽(12)，从而通过导槽对钢丝锯条进行引导，对所述页岩岩芯试样(6)圆心处的钻孔进行加工，以将钻孔加工成直切槽，从而将所述页岩岩芯试样(6)加工成直切槽巴西圆盘法试样，即得到所述页岩断裂韧性测试试样。

7.一种采用权利要求2所述的加工装置测量页岩断裂韧性测试试样的断裂韧性K_1C的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：首先通过计算机(11)得到页岩断裂韧性测试试样(6)的起裂载荷P_cr，单位为N；

步骤(2)：通过直接测量页岩断裂韧性测试试样(6)，得到页岩断裂韧性测试试样(6)的圆盘半径R，单位为m，页岩断裂韧性测试试样(6)的厚度t，单位为m，页岩断裂韧性测试试样(6)的裂纹半长a，单位为m；

步骤(3)：确定无量纲裂缝半长β，β＝a/R，β无量纲；

步骤(4)：确定载荷作用角度2α，其中α无量纲，由以下公式确定：

其中，ν₁和μ₁为页岩断裂韧性测试试样的泊松比和剪切模量；ν₂和μ₂为金属压头的泊松比和剪切模量；其中，μ₁，μ₂单位为N，ν₁，ν₂无量纲；

步骤(5)：确定断裂韧性K_1C，其中，K_1C单位为M₁,M₂无量纲，n为整数，J₁为第一类贝塞尔函数，断裂韧性K_1C由以下公式确定：

其中，