岩石高温剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)断裂特征的理论与实验研究

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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τmax总是小于或略大于最大拉应力σ1。对于抗拉强度远小于抗剪强度的脆性岩石,σ1较易先于τmax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τmax远大于σ1并先于σ1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τmax/σ1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的计算公式,其中K等于零,K为负值,K与K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σt、抗压强度σc、弹性模量E、Ⅰ型断裂韧度KⅠC、Ⅱ型断裂韧度KⅡC、Ⅲ型断裂韧度KⅢC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KⅡC和KⅢC为KⅠC的1~3倍,且KⅢC与KⅡC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(KⅡC和KⅢC)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(σ1或τmax)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。
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