巖石高溫剪切（含Ⅱ型和Ⅲ型）斷裂特征的理論與實驗研究.pdf

1、本文針對深部開采工程中迫切需要解決的巖石高溫剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)斷裂特征問題，采用理論、計算和實驗相結(jié)合的方法開展巖石高溫剪切斷裂機(jī)理、斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則的研究，無疑對巖石斷裂力學(xué)的完善以及巖體工程的強(qiáng)度計算、安全評估、災(zāi)害預(yù)測等具有重要的理論和實際意義。 通過高溫平面沖剪和反平面沖剪試件的有限元數(shù)值計算，探討了純剪切(含Ⅱ型和Ⅲ型)加載下裂尖應(yīng)力場分布。結(jié)果表明：裂尖最大剪應(yīng)力τ<,max>甜總是小于或略大于最大拉應(yīng)力σ<,1

2、>。對于抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗剪強(qiáng)度的脆性巖石，σ<,1>較易先于τ<,max>甜達(dá)到其臨界值，從而導(dǎo)致巖石發(fā)生拉伸(Ⅰ型)斷裂。 通過高溫平面壓剪和反平面壓剪試件的有限元數(shù)值計算，探討了含剪切復(fù)合型加載下試件裂尖的應(yīng)力場分布。結(jié)果表明：附加的側(cè)壓應(yīng)力能有效地抑制裂尖拉應(yīng)力，致使裂尖τ<,max>似遠(yuǎn)大于σ<,1>，并先于σ<,1>，達(dá)到其臨界值，從而導(dǎo)致巖石發(fā)生剪切(Ⅱ型、Ⅲ型)斷裂。增大比值τ<,max>/σ<,1>則更有利于巖石

3、發(fā)生剪切斷裂。 通過有限單元法中的位移法推導(dǎo)了反平面壓剪加載下Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子K<,Ⅲ>的計算公式，其中K<,Ⅱ>等于零，K<,Ⅰ>為負(fù)值，K<,Ⅲ>與K<,Ⅰ>之間存在線性關(guān)系。 通過高溫巖石力學(xué)性能及斷裂實驗探討了溫度對抗拉強(qiáng)度σ<,t>、抗壓強(qiáng)度σ<,c>、彈性模量E、I型斷裂韌度K<,IC>、Ⅱ型斷裂韌度K<,IIC>、Ⅲ型斷裂韌度KⅢC>們的影響。結(jié)果表明：在300℃以內(nèi)，它們均隨溫度的升高而增加，達(dá)到某一臨界

4、溫度(如200℃或250℃)后迅速降低。在臨界溫度以下，它們均與溫度呈線性關(guān)系。實測的高溫巖石 K<,ⅡC>和K<,ⅢC>為K<,ⅠC>的1～3倍，且K<,ⅢC>與K<,ⅡC>近似相等。 通過高溫平面壓剪和反平面壓剪試件的斷口電鏡分析，表明裂尖斷口多為穿晶斷裂，裂面有許多平行線狀條紋，且伴有擦痕，具有明顯的剪切斷裂特征。壓剪盒實驗是實現(xiàn)巖石剪切(Ⅱ型和Ⅲ型)斷裂和測定巖石剪切斷裂韌度(K<,ⅡC>和K<,ⅢC>)的有效方法。