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《中南大学》 2002年
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岩石压剪断裂的理论与实验研究

陈枫  
【摘要】:本文采用理论分析、数值计算和实验验证相结合的方法,从宏观和微观二个方面系统研究了岩石压剪断裂机理及一系列有关的重要问题。文中首先分析和计算了压剪裂纹尖端的应力场,给出了压剪裂纹附近的最大主应力等值线图,并用实验方法测取了不同倾角的压剪裂纹尖端的应变值。结果表明,压剪加载下的裂尖奇异应力场远比拉剪应力场复杂,它具有下面两个重要特征: 1)压剪裂纹尖端的奇异应力场,根据裂纹面的闭合与否而明显不同。 2)非闭合压剪裂纹尖端存在附加的局部拉应力。 基于这一应力分析,文中探讨了裂纹共平面扩展的条件——这一与岩石Ⅱ型断裂韧度密切相关的问题。一个重要结论是:纯Ⅱ型和一般条件下的压剪加载均不可能得到裂纹的共平面扩展,只有在满足某种围压条件时,裂纹才会发生自相似扩展,并给出了这一条件。 作者提出了二种新的试样载荷系统,即不同载荷作用下的中心裂纹(CCB)和双边裂纹巴西园盘试样(ECB),用权函数方法推导了二种试样在集中对径和局部均布对径加载下的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子(SIF)半解析计算公式,提出了用ECB试样测定岩石Ⅱ型断裂韧度的方法,并由此测定了大理岩的K_(ⅡC),与数值结果比较,它们具有很高的精度。新的试样——载荷系统不仅使我们能方便地获得从纯Ⅰ型到Ⅰ、Ⅱ型任意组合的复合加载,而且十分便于加工,并用这一种试样对压剪断裂问题进行了实验研究。 本文也研究了压剪裂纹的闭合问题,提出了一个裂纹呈雁行扩展时的计算模型。在裂纹面间引入了库仑摩擦力,得到了裂纹扩展时应力强度因子的封闭形式的解,所得结果非常接近数值解,且精度也高于国际上的同类结果。 在微观断裂方面,特别研究了压剪时微断裂进展与宏观物理量之间的关系,采用声发射(AE)技术,对压剪断裂的全过程进行了实验研究。可以看到,岩石压剪断裂过程中的声发射波谱参数对其微断裂进展的敏感程度要高于载荷本身。文中提出了岩石微观结构的一个二相模型,并通过数值计算与模拟(数值实验)相结合的方法,研究了岩石压缩脆断的微观机理,即将岩石模拟成一种由较硬矿物晶粒和较软的晶间胶结物组成的二相复合材料,用有限元方法计算了晶间区域的应力场,并与数值实验结果作了比较,结果清楚地显示了晶界附近的局部张应力对裂纹起始、扩展和失稳破坏的重要影响,也与岩石单轴压缩加载下的实验观察十分一致。 鉴于拉应力对岩石在各种加载下断裂的重要影响,文中提出了与之密切相关的岩石压剪断裂的二种局部能量准则,即:1)周向应变能密度因子(SED)准则和2)体积改变能密度因子(DSED)准则。 文中最后讨论了压剪断裂的某些工程应用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TD313

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【引证文献】
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8 ;渠道何以成“水库”[N];电脑商报;2003年
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10 陈劲虹 通讯员 李化、王坚、闫璐;降价旋风刮起 春节前出游省大钱[N];民营经济报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈枫;岩石压剪断裂的理论与实验研究[D];中南大学;2002年
2 雍华东;若干先进电磁材料结构的断裂与稳定性等力学特性的理论研究[D];兰州大学;2010年
3 闫明;蠕变—热疲劳可靠寿命预测的若干问题研究[D];东北大学;2008年
4 林荣伟;CFL加固RC梁疲劳裂纹扩展规律及寿命预测[D];华南理工大学;2010年
5 蒋玉川;弹塑性断裂力学之J~*积分与复合型裂纹扩展断裂准则的研究[D];四川大学;2004年
6 李其;抽油杆表面裂纹及剩余寿命的可靠性研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
7 张俊清;高速列车空心车轴表面裂纹应力强度因子研究[D];北京交通大学;2011年
8 戴耀;裂纹非定常扩展及断裂准则[D];清华大学;1984年
9 陈景杰;含裂纹损伤船体结构强度分析方法研究[D];大连理工大学;2011年
10 董伟;混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的试验研究与裂缝扩展过程的数值模拟[D];大连理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈建兵;用分域边界单元法双映射奇异元计算裂纹的应力强度因子[D];哈尔滨工程大学;2005年
2 朱伯靖;三维双相材料裂纹问题的超奇异积分方程方法[D];中国农业大学;2005年
3 李虎;基于ESO法的含裂纹结构形状优化研究[D];西北工业大学;2007年
4 黄锋;FRP复合钢筋混凝土结构阻裂增强的有限元分析与试验研究[D];重庆交通大学;2008年
5 周立明;无网格伽辽金方法的改进及应用[D];吉林大学;2008年
6 赵勇刚;有限弹性体表面裂纹问题的有限元分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
7 郭峰;沥青路面纵向裂缝扩展的数值模拟分析[D];吉林大学;2009年
8 王文伟;含裂纹铆接连接结构应力强度因子参数分析[D];大连海事大学;2009年
9 齐永华;棱角缺陷裂纹问题研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
10 余添朋;复合材料中夹杂角部奇异性应力数值分析[D];华东交通大学;2009年
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