层状岩石类材料间隔破裂机理及其数值试验研究

发布时间：2018-12-10 10:44

【摘要】：在层状岩石组成的地层结构中,存在一种非常重要且较为普遍的地学现象,即间隔破裂现象(Fracture Spacing)。关于这种现象在拉伸作用下的研究成果多发表在Nature和Physical Review等高水平的杂志上,这说明了对这种现象的研究具有重要的意义。等间距(或等空间)裂纹饱和现象还具有跨尺度、普适性的特点,小到裂纹间距毫米级的复合材料等间距裂纹,大到与地震相关的地球板块构造中的断裂带,各种形式的裂纹普遍存在于不同尺度的岩石、混凝土和其他材料中。岩石、混凝土等准脆性材料变形破坏的本质,是在荷载、温缩、干缩等的作用下,固体材料内部微裂纹萌生、扩展、贯通直到产生宏观裂纹并最终失稳的过程。本文以层状岩石的等间距裂纹现象为出发点,在破裂过程分析系统RFPA (Realistic Failure Process Analysis)基础上,从岩石的细观结构入手,运用统计分布方法、传热传质理论以及损伤力学原理,实现了包括荷载、温度、湿度等条件下的多种形状的层状岩石类材料模型等空间破裂过程分析；采用以该数值分析方法为主,物理试验为补充的研究手段,对层状结构作用下的等间距拉破坏过程机理及演化规律进行探讨,取得的主要研究成果如下： (1)充分发挥数值分析方法的优势,从细观角度出发,通过建立温度-应力-损伤、湿度-应力-损伤耦合层状材料模型,实现了层状平板模型从二维到三维,从荷载型裂纹到温湿扩散型裂纹,从裂纹萌生到饱和的破裂演化全过程。提出了将ansys模型在柱坐标和球坐标中的节点位移加载通过程序计算转化为笛卡尔坐标下的节点位移加载的方法,成功模拟了层状柱形结构和层状球体结构的等间距裂纹现象和等空间破裂现象。并且在试验中实现了通过温度相变体积膨胀得到材料表面裂纹的扩展全过程。 (2)从数值模型的应力分布随破裂过程的演化规律入手,研究了导致层状结构材料等间距裂纹或等空间破裂的应力转化机理。研究结果表明以下因素对等间距裂纹或等空间破裂模式具有影响：材料层厚度之比、各层的材料性质、模型受力情况、模型形状等。数值研究的成果对于层状材料中的“等空间破裂”机理和规律的研究具有重要的借鉴和参考价值。 (3)荷载和温缩作用下层状材料裂纹都近似等间距或等空间地出现,裂纹的萌生位置不定,裂纹的萌生和贯通具有明显的先后顺序；温度冲击和干缩作用下,应力随着温度或湿度的扩散而产生,模型表面裂纹扩展完全呈现由表及里的扩展规律,各裂纹的萌生和贯通几乎同步发生。最终裂纹都止于不同材料层的交界面,裂纹走向基本垂直于层面,裂纹贯穿开裂层厚度,达到裂纹饱和后,以界面剥离或向硬层扩展为最终破坏形式。 (4)根据单轴拉伸作用下双层材料表面等间距裂纹的演化过程和竖向压缩作用下材料软层等间距裂纹的演化过程研究结果发现,相邻裂纹间的应力场都经历了由拉应力转化为压应力的过程,应力场的转变是裂纹饱和的关键原因。通过分析单轴拉伸作用下双层材料表面等间距裂纹应力场的变化,得到了裂纹扩展到饱和整个过程中模型的三种“自我约束”现象：裂纹对其自身周围应力场的约束：硬层对软层新生裂纹的约束；来自相邻裂纹应力场的约束。 (5)温度的传递或湿度的扩散与双层材料表面裂纹的扩展之间存在很大的相互作用,环境低温的传递和材料湿度的扩散都将在材料中引起拉应力导致拉破坏,产生裂纹并使裂纹由表及里扩展；而裂纹的存在和新裂纹的萌生会使温度和湿度影响的范围更深、更广,相应的拉应力也更大,这对防止裂纹扩展产生更大的不利因素。另外,裂纹深度同样也是影响温度和湿度扩散过程的一个重要因素,已有裂纹在收缩过程中的扩展会进一步加剧试样中温度和湿度的扩散,从而反过来促进裂纹的继续扩展。因此,对已有裂纹进行修补将有利于抑制裂纹扩展并提高结构耐久性。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU521.2

【参考文献】