岩石压剪断裂的理论与实验研究

【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。