有侧压力岩石动态直接拉伸试验及动态断裂力学研究

摘要

岩石材料在动态荷载下的力学特性是研究诸如采矿工程巷道、铁路与公路隧道、大型洞室的稳定性、大型基坑开挖以及岩质边坡治理等在爆破与地震等动荷载作用下的重要参数。本文对花岗岩进行了有侧压力（围压）动态直接拉伸试验。试验结果表明:对于同一侧向压力，花岗岩的抗拉强度与直接拉伸弹性模量随应变速率增加而呈现增加趋势;对于同一应变速率，其抗拉强度与直接拉伸弹性模量随侧向压力增加而呈现递减趋势;高应变速率相对低应变速率，其抗拉强度随侧压力增加而减少的趋势更快;对同一侧向压力，花岗岩的泊松比随应变速率的增加而呈现增加的趋势，但增加趋势不明显;而对于同一应变速率，其泊松比随侧向压力的增加而呈现不规则变化。
　　在试验研究的基础上，基于经典的Mott模型理论，探讨分析了应变率与侧压力对花岗岩裂纹扩展极限速度的影响:在同一侧向压力下，花岗岩裂纹扩展极限速度随着应变速率的增加而出现增加的趋势，而在同一应变速率下，其极限速度随着侧向压力的增加而出现递减的趋势。
　　在岩石动态断裂力学等相关理论研究的基础上，将裂纹几何因子和时间因子纳入岩石静态应力强度因子研究范围，分析了岩石裂纹快速扩展动态应力强度因子，在此基础上探讨了岩石材料裂纹动态起始扩展判据准则及裂纹快速扩展、止裂条件。
　　通过分析岩石动态断裂韧度与抗拉强度的关系，在试验的基础上获得了花岗岩动态断裂韧度与抗拉强度之间的经验公式，由此获得了花岗岩的动态断裂韧度，并分别讨论了侧压力与应变率对岩石动态断裂韧度的影响:在同一侧向压力下，花岗岩动态断裂韧度随应变速率的增加而呈现增加趋势，而在同一应变速率下，其动态断裂韧度随侧向压力增加而呈现递减趋势。
　　基于于亚伦等人修正过的过应力模型理论，对本次花岗岩测试数据进行了曲线拟合，得到了不同应变率下的花岗岩本构方程，提出了考虑岩石应变率的过应力模型能较好地描述花岗岩试样在动载荷作用下的力学及变形特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 岩石材料在动态拉伸荷载作用下的力学特性试验研究

1．2．2 岩石材料在动态拉伸荷载作用下的力学机理研究

1．2．3 岩石材料细观断裂力学特性研究

1．2．4 岩石材料动态本构关系研究

1．3 本文主要工作、技术路线

第二章 岩石试样制备与试验条件

2．1 岩石试样制备

2．1．1 岩石取样

2．1．2 岩石试样加工

2．2 试验设备

2．2．1 10T动载荷实验机测试系统概述

2．2．2 数据采集系统

2．2．3 带有侧压岩石直接拉伸加载装置

2．3 本章小结

第三章 有侧压岩石动态直接拉伸试验研究

3．1 引言

3．2 岩石应变速率、侧压对抗拉强度的影响

3．2．1 不同侧压下岩石应变速率对拉伸强度的影响

3．2．2 不同应变速率下岩石侧压对拉伸强度的影响

3．2．3 应变速率与侧压对岩石拉伸强度的影响

3．3 岩石应变速率、侧压对直接拉伸弹性模量的影响

3．3．1 不同侧压下岩石应变速率对直接拉伸弹性模量的影响

3．3．2 不同应变速率下岩石侧压对直接拉伸弹性模量的影响

3．3．3 应变速率与侧压对岩石直接拉伸弹性模量的影响

3．4 岩石应变速率、侧压对泊松比的影响

3．4．1 不同应变速率下岩石侧压对泊松比的影响

3．4．2 不同侧压下岩石应变速率对泊松比的影响

3．4．3 应变速率与侧压对岩石泊松比的影响

3．5 本章小结

第四章 岩石在动态载荷作用下裂纹扩展力学特性理论分析

4．1 引言

4．2 岩石裂纹的三种基本类型

4．3 岩石裂纹快速扩展模型及速度

4．3．1 岩石裂纹快速扩展模型

4．3．2 花岗岩裂纹扩展极限速度与应变速率及侧压相关性试验分析

4．4 岩石裂纹快速扩展力学参数

4．4．1 岩石裂纹快速扩展动态应力强度因子

4．4．2 岩石裂纹快速扩展渐近场

4．5 岩石裂纹快速扩展动态断裂韧度

4．5．1 岩石加载速度对动态断裂韧度影响

4．5．2 温度对岩石动态断裂韧度影响

4．6 岩石裂纹动态扩展断裂判据

4．6．1 岩石裂纹动态起始扩展判据

4．6．2 岩石裂纹动态扩展止裂判据

4．7 岩石动态断裂韧度与抗拉强度，应变速率及侧压相关性试验分析

4．7．1 岩石断裂韧度与抗拉强度相关性分析

4．7．2 不同侧压下的应变速率对岩石动态断裂韧度影响

4．7．3 不同应变速率下的侧压对岩石动态断裂韧度影响

4．8 岩石动态本构方程讨论

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间的主要成果