岩石高温剪切裂纹扩展与止裂的实验研究

摘要

在采矿和岩土工程中，随着开挖深度的增大，地热加剧，裂隙岩体经常发生高温平面剪切(Ⅱ型)断裂破坏，必须研究岩石的剪切裂纹扩展规律以寻求裂纹止裂途径。目前，国内外关于岩石高温剪切裂纹扩展规律与止裂的研究相对甚少。本文通过试验和计算方法开展岩石高温剪切裂纹的扩展规律与止裂研究，对岩石断裂力学的发展、岩体工程安全评估、灾害预测等具有重要的理论和实际意义。 利用导电胶做为电测介质，建立了一种研究岩石剪切裂纹扩展规律的新型实验方法一导电胶电测法。与现有的电测法相比，该方法能够实现岩石高温(低于100℃)裂纹扩展参数(包括起裂时刻，裂纹稳定与失稳扩展速度，裂纹稳定与失稳扩展时间等)的连续测量，为分析岩石裂纹扩展规律与止裂提供了一种有效可行的监测手段。 通过压剪盒实验和导电胶电测法，测定了高温(20℃-100℃)下红砂岩试件剪切裂纹的起裂时刻、稳定与失稳扩展速度、稳定与失稳扩展时间。结果表明：岩石剪切裂纹的稳定扩展速度随原裂纹长度的增加而增大，但受环境温度(100℃以下)的影响不大。岩石剪切裂纹的失稳扩展速度与原裂纹长度无关，但随着温度的升高明显增大，且呈线性关系。 通过有限单元法计算具有不同开孔位置与尺寸的试件裂尖最大主应力、等效应力以及边缘最大主应力、等效应力，确定了具有最佳止裂效应的开孔位置与尺寸的双孔试件，为岩石剪切裂纹止裂实验提供依据。 通过压剪盒实验和导电胶电测法，测定了高温(20℃-100℃)下开双孔试件的剪切裂纹扩展参数。结果表明：双孔试件的剪切裂纹稳定扩展时间随温度的增加而增加，且增幅大于无孔试件。双孔试件能有效地降低平均裂纹稳定扩展速度，明显增加裂纹稳定扩展时间，有利于裂纹止裂。开孔是一种行之有效的岩石裂纹止裂手段。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1断裂力学概论

1.2岩石裂纹扩展的研究现状

1.2.1理论研究

1.2.2实验研究

1.3岩石裂纹止裂的研究现状

1.3.1理论研究

1.3.2实验研究

1.4本文研究内容

第二章岩石剪切裂纹扩展速度的新型实验方法研究

2.1试验原理

2.2试验材料

1.2.1导电涂料

1.2.2辅助材料

2.3试验仪器

2.4本章小结

第三章岩石高温剪切裂纹扩展规律的实验研究

3.1实验方案

3.1.1岩石材料

3.1.2试件尺寸

3.1.3加载方式

3.2结果与分析

3.2.1裂纹扩展速度

3.2.2稳定裂纹扩展速度

3.2.3失稳裂纹扩展速度

3.3本章小结

第四章岩石高温剪切裂纹止裂方法的实验研究

4.1止裂方法

4.1.1有限元计算

4.1.2止裂孔方案设计

4.2止裂试验

4.2.1岩石材料

4.2.2试件尺寸

4.2.3加载方式

4.3结果与分析

4.3.1止裂孔效应

4.3.2温度效应

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1全文结论

5.2工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢