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《中南大学》 2003年 博士论文
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岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究

郭少华  
【摘要】:本文针对含裂纹岩石压缩断裂的性质,进行了较为全断利深入的实验研究,机理分析和理论模拟。了解并学握了岩石压缩断裂的主要规律,提出了相应的判据和模拟模型。 实验研究采用的是含中心斜裂纹的矩形石膏试件,加载方式为单向或双向施压。分别对张开型裂纹,闭合型裂纹和不完全闭合型裂纹等不同的裂纹状态,进行开裂位置,开裂角,临界载荷,压应力集中,拉应力区,断裂模式及Ⅱ型断裂条件等实验观察和研究,为全面了解岩石压缩断裂提供了较详尽的第一手资料。其中,为实现实验受力要求,自行设计并研制了液压伺服自动控制的横力加载装置,与电子万能试验机一起构成了有效的二向压缩状态。数据采集则采用密集应变片步点,配合多通道动态应变测量系统,对裂纹附近应力变化实施全程监控。压缩裂纹设计为不同短长轴比的各种扁椭圆形状,裂纹倾角从0°到90°等间隔安排,以反映出压缩断裂过程的变化规律。等量增加围压轴压比系数,探寻Ⅰ型断裂模式向Ⅱ型断裂模式转变的条件。 基于实验结果以及相关数据分析,并结合力学模型和复变函数方法,研究了岩石压缩断裂各主要现象的产生机理。着重裂纹起裂的应力特征;压应力强度因子性质,它的变化规律及其对断裂的影响;Griffith型断裂(裂尖开裂)的几何范围和限定条件;裂纹表面摩擦效应和闭合过程对裂尖应力强度因子的影响;以及张拉型(Ⅰ型)开裂和剪切型(Ⅱ型)的微观原因和宏观条件。 在岩石压缩断裂机理分析的基础上,修正了传统断裂力学的某些观点。提出了以断裂模式识别为先导的研究思想,并提出新的断裂判据。它既可以预测岩石压缩断裂中以张拉型断裂为主导的断裂现象,也可以预测岩石压缩断裂中以剪切型断裂为主导的断裂现象,扩展了断裂力学的内容。以它为准则进行的相关计算与实验结果较好的吻合,证明了本文分析的合理性和可靠性。 为了能够清晰,简洁和有效地预测和模拟含裂纹岩石压缩断裂以后的扩展路径,本文采用了类比方法,即流函数模拟法。它基于弹性固体与粘性流体之间存在的对应性原理。在证明了流体流线与固体主应力迹线的等价性之后,利用流函数的可叠加性质,预测和模拟出了各种加载条件下的平板中心裂纹问题的压缩断裂路径,其结果的正确性得到了岩石压缩断裂实验的证实。 本文研究工作的主要结论包括: 1.对张开型裂纹的岩石压缩断裂,开裂并不总是出现在裂纹尖端。裂纹开裂位置,开裂角均与裂纹倾角,裂纹钝化程度和载荷作用方式有关。但其开裂总是Ⅰ型张拉机制的,且只有在满足一定的条件下,裂纹开裂才会在裂尖部位发生。 2.岩石裂纹压缩断裂存在二个临界倾角。当裂纹倾角处在上界角时,所需要的破坏应力为最大;而当裂纹倾角处在下临界角时,所需要的破坏应力为最小。 3.张开型裂纹在压应力作用下的闭合是一个渐闭的过程。其闭合状态(是局部闭合,还是全部闭合)受剪应力控制。 4.对张开型裂纹或局部闭合型裂纹,存在有压应力强度因子。但它不等于拉应力强度因子的负值。其值取决于剪应力,而非压应力。 5.对闭合型裂纹,压缩断裂既存在Ⅰ型张拉机制的破坏模式(曲张形),也存在Ⅱ型剪切机制的破坏模式(直剪形)。但不存在Ⅰ+Ⅱ型拉剪机制的破坏模式。 6.在高围压,人摩擦系数的情况下,岩石压缩断裂可能发生Ⅱ型剪切机制的直剪形破坏模式。


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