砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法研究

论文摘要

岩石的拉伸强度和断裂韧度测试,一直是固体力学等自然科学学科的前沿研究课题。早在1978年,国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics-ISRM）就以规范的形式确定了获得岩石单轴抗拉强度的方法:巴西劈裂试验和直接拉伸试验,并给出了相应的试样尺寸标准和计算公式。对岩石材料静态断裂韧度的测试,ISRM也提出了四种建议试样构型及试验方法。但由于试样制备复杂、加载方式限制、监测仪器和设备的精度不足等问题,学者对用于测试岩石拉伸强度和断裂韧度的理想试样仍在进行不懈的探索。基于对传统巴西圆盘及改进型试样的分析研究,本文首次提出一种在一次简单单轴压缩过程中测定脆性岩石抗拉强度和Ⅰ型静态断裂韧度的新构型试样。本文研究内容主要分为两个部分:（1）对三种巴西圆盘改进构型进行研究。将平台引入巴西圆盘得到平台巴西圆盘,基于Griffith强度准则,重新确定平台巴西圆盘的平台加载角有效范围,对不同平台角中心直裂纹平台巴西圆盘进行了更准确的无量纲应力强度因子标定,给出了平台巴西圆盘拉伸强度和Ⅰ型静态断裂韧度计算公式。进行了切槽巴西圆盘单轴压缩实验,验证了切槽巴西圆盘试样构型的有效性。将中心圆孔引入平台巴西圆盘,平台的增加防止了端部破坏,中心孔的大幅增加则引起试样中心孔的应力集中,从而保证试样中心起裂。计算了不同加载平台角、不同孔径的试样加载直径与中心孔交点处的Griffith等效应力,再次保证了中心起裂这一条件,标定了不同加载平台角及孔径比条件下圆孔平台巴西圆盘临界裂纹长度及最大无量纲应力强度因子,给出了Ⅰ型静态断裂韧度计算式和基于非局部应力法的抗拉强度计算式。最后对三种不同构型试样（FBD,GBD,HFBD）进行了单轴压缩试验,并求得了三种构型较为合理有效的抗拉强度和Ⅰ型静态断裂韧度。（2）加载平台、切槽及圆孔的引入改变了试样内部应力分布,从而通过简单单轴加载获得脆性岩石的抗拉强度和断裂韧度。在圆孔平台巴西圆盘构型的基础上提出新构型:压缩圆孔板试样（Drilled Compression-DC）。有限元应力分析结果表明,在单轴压缩状态下压缩圆孔板由中心孔处首先破坏,从而验证了新试样中心起裂的有效性。通过有限元软件对DC试样的Ⅰ型无量纲应力强度因子Y进行数值标定,给出了用于压缩圆孔板试样Ⅰ型静态断裂韧度测定的计算式,基于非局部应力法和关键距离法,给出了两种用于压缩圆孔板试样抗拉强度测定的公式。对压缩圆孔板砂岩试样进行了单轴压缩试验,确定了压缩圆孔板试样的断裂韧度和抗拉强度,并与其他构型试样进行了对比,验证了新提出的压缩圆孔板试样及新的断裂韧度和抗拉强度测试方法的有效性。最后基于Bazant断裂韧度尺度律给出了压缩圆孔板试样的几何形状函数,并利用该函数得到了测试岩样的真实断裂韧度值及断裂过程区的有效尺寸,消除压缩圆孔板试样的尺寸效应。试验结果表明,利用新提出的压缩圆孔板构型,可从简单有效的单轴压缩实验中获得合理的脆性岩石抗拉强度和断裂韧度。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王少阳

导师: 吴礼舟,刘卫华

关键词: 砂岩,抗拉强度,断裂韧度,压缩圆孔板,尺寸效应

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 成都理工大学

分类号: TU45

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000240

总页数: 82

文件大小: 5861K

下载量: 138

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