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《中南大学》 2003年
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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。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TD313

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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9 刘海京;郑佳艳;林志;;衬砌存在裂缝的隧道力学模型及机理研究[J];公路隧道;2011年01期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张后全;贺永年;周纪军;韩立军;蒋斌松;邵鹏;;岩石破损过程强度变化规律实测研究[A];第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年
2 李卧东;陈胜宏;;岩石侵彻爆炸效应的数值模拟[A];第八届全国岩石动力学学术会议论文集[C];2003年
3 赵吉坤;;基于流固耦合的岩石细观破坏分析[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
4 尹小涛;葛修润;李春光;王水林;;加载速率对岩石材料力学行为的影响[A];第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年
5 张晓平;王思敬;韩庚友;张兵;;岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
6 薛守义;;论岩体力学的基本概念[A];岩石力学理论与工程实践[C];1997年
7 邱一平;林卓英;孟祥琦;;岩石抗切强度测试方法研究[A];2010年海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会/第八届全国MTS材料试验学术会议论文集[C];2010年
8 豆清波;马少鹏;;用数字散斑相关方法测量岩石弹性常数[A];第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2006年
9 张年学;盛祝平;李晓;李守定;赫建明;;岩石泊松比与内摩擦角的关系研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
10 何翔;徐翔云;王幸;金栋梁;;高应变率下岩石介质的动态本构方程[A];中国软岩工程与深部灾害控制研究进展——第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前6条
1 一 凡;为使建筑物坚如岩石[N];中国质量报;2004年
2 本报记者 李政;保护·研究·管理·利用[N];中国文物报;2005年
3 ;矿物岩石材料开发应用国家专业实验室[N];中国化工报;2002年
4 钱谭;判准原因是关键 根据形态找对策[N];中国安全生产报;2007年
5 张梦然;普通细菌在太空环境下存活553天[N];科技日报;2010年
6 中国文物研究所 李宏松;渐变性与突发性[N];中国文物报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李树春;周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征[D];重庆大学;2008年
2 朱杰兵;高应力下岩石卸荷及其流变特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2009年
3 张学民;岩石材料各向异性特征及其对隧道围岩稳定性影响研究[D];中南大学;2007年
4 谢冰;岩体动态损伤特性分析及其在基础爆破安全控制中的应用[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
5 梁正召;三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究[D];东北大学;2005年
6 黄滚;岩石断裂失稳破坏与冲击地压的分叉和混沌特征研究[D];重庆大学;2007年
7 邓华锋;库水变幅带水—岩作用机理和作用效应研究[D];武汉大学;2010年
8 陈文玲;黑河水库坝肩边坡云母石英片岩三轴蠕变机理及蠕变模型研究[D];长安大学;2009年
9 肖建清;循环荷载作用下岩石疲劳特性的理论与实验研究[D];中南大学;2009年
10 刘世奇;有侧向压力的花岗岩动态直接拉伸力学特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邹洋;岩石动静组合加载巴西盘劈裂试验研究[D];中南大学;2011年
2 李国莹;细观非均质岩石材料的力学及变形性质数值研究[D];山东大学;2010年
3 余斐;单轴压缩条件下岩石的声发射试验研究[D];中国地质大学(北京);2012年
4 王菲;基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究[D];清华大学;2013年
5 贾敬辉;岩石三点弯曲动态破坏过程数值模拟研究[D];大连理工大学;2013年
6 王岩;刀具与岩石相互作用模型及破岩规律研究[D];大连理工大学;2013年
7 孙秀丽;岩石渐进损伤演化过程的模拟方法研究[D];沈阳工业大学;2006年
8 田立;综掘硬岩巷道松动爆破技术研究[D];安徽理工大学;2013年
9 王亮;煤层顶底板常见岩石点荷载与拉压强度之间关系的试验研究[D];安徽理工大学;2013年
10 张林中;金刚石切削岩石的模拟[D];中国地质大学(北京);2008年
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