岩石高温剪切（含Ⅱ型和Ⅲ型）断裂特征的理论与实验研究

摘要

本文针对深部开采工程中迫切需要解决的岩石高温剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)断裂特征问题，采用理论、计算和实验相结合的方法开展岩石高温剪切断裂机理、断裂韧度和断裂准则的研究，无疑对岩石断裂力学的完善以及岩体工程的强度计算、安全评估、灾害预测等具有重要的理论和实际意义。 通过高温平面冲剪和反平面冲剪试件的有限元数值计算，探讨了纯剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)加载下裂尖应力场分布。结果表明：裂尖最大剪应力τ<,max>甜总是小于或略大于最大拉应力σ<,1>。对于抗拉强度远小于抗剪强度的脆性岩石，σ<,1>较易先于τ<,max>甜达到其临界值，从而导致岩石发生拉伸(Ⅰ型)断裂。 通过高温平面压剪和反平面压剪试件的有限元数值计算，探讨了含剪切复合型加载下试件裂尖的应力场分布。结果表明：附加的侧压应力能有效地抑制裂尖拉应力，致使裂尖τ<,max>似远大于σ<,1>，并先于σ<,1>，达到其临界值，从而导致岩石发生剪切(Ⅱ型、Ⅲ型)断裂。增大比值τ<,max>/σ<,1>则更有利于岩石发生剪切断裂。 通过有限单元法中的位移法推导了反平面压剪加载下Ⅲ型应力强度因子K<,Ⅲ>的计算公式，其中K<,Ⅱ>等于零，K<,Ⅰ>为负值，K<,Ⅲ>与K<,Ⅰ>之间存在线性关系。 通过高温岩石力学性能及断裂实验探讨了温度对抗拉强度σ<,t>、抗压强度σ<,c>、弹性模量E、I型断裂韧度K<,IC>、Ⅱ型断裂韧度K<,IIC>、Ⅲ型断裂韧度KⅢC>们的影响。结果表明：在300℃以内，它们均随温度的升高而增加，达到某一临界温度(如200℃或250℃)后迅速降低。在临界温度以下，它们均与温度呈线性关系。实测的高温岩石 K<,ⅡC>和K<,ⅢC>为K<,ⅠC>的1～3倍，且K<,ⅢC>与K<,ⅡC>近似相等。 通过高温平面压剪和反平面压剪试件的断口电镜分析，表明裂尖断口多为穿晶断裂，裂面有许多平行线状条纹，且伴有擦痕，具有明显的剪切断裂特征。压剪盒实验是实现岩石剪切(Ⅱ型和Ⅲ型)断裂和测定岩石剪切断裂韧度(K<,ⅡC>和K<,ⅢC>)的有效方法。 基于岩石剪切断裂机理及剪切断裂韧度分析，首次提出了新型的断裂模式定义，即断裂模式完全取决于裂尖应力场(σ<,1>或τ<,max>)并非外力场，只有拉伸和剪切两种断裂模式，不必区分平面剪切(Ⅱ型)和反平面剪切(Ⅲ型)断裂。基于新型的断裂模式定义，建立了最大应力强度因子比断裂准则。该准则能较好地预测任意加载条件下(含常温和高温)岩石各种断裂模式，并通过实验得以验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1断裂力学概论

1.2国内外岩石断裂力学研究现状

1.2.1岩石常温断裂力学的研究现状

1.2.2岩石高温断裂力学的研究现状

1.3本文主要工作

第二章含剪切加载下岩石高温断裂的有限元计算

2.1平面剪切(含平面压剪)试件的应力场计算

2.1.1计算方案

2.1.2结果与分析

2.2反平面剪切(含反平面压剪)试件的应力场计算

2.2.1计算方案

2.2.2结果与分析

2.3 Ⅲ型应力强度因子KⅢ计算公式推导

2.4本章小结

第三章岩石高温剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)断裂的实验研究

3.1岩石高温力学性能实验

3.1.1实验方案

3.1.2结果与分析

3.2岩石高温拉伸(Ⅰ型)断裂实验

3.2.1实验方案

3.2.2结果与分析

3.3岩石高温平面剪切(Ⅱ型)断裂实验

3.3.1实验方案

3.3.2结果与分析

3.4岩石高温反平面剪切(Ⅲ型)断裂实验

3.4.1实验方案

3.4.2结果与分析

3.5本章小结

第四章新型断裂准则的研究

4.1最大应力强度因子比准则的建立

4.2最大应力强度因子比准则的验证

4.2.1纯拉伸(Ⅰ型)裂纹

4.2.2纯平面剪切(Ⅱ型)裂纹

4.2.3纯反平面剪切(Ⅲ型)裂纹

4.2.4 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹

4.2.5 Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹

4.3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

致谢

攻读学位期间主要的研究成果