考虑T应力的岩石裂纹尖端起裂特性研究

发布时间：2019-09-14 09:30

【摘要】：岩石作为一种天然材料,其内部存在着很多的节理、片理、层理及裂纹等,是一种典型的非均匀、不连续、各向异性的材料。工程中岩石的破坏与失稳主要由细观裂纹的起裂、扩展、贯通引起。因此,岩石中裂纹的起裂特性一直是岩石工程中的一个研究热点,并且已经取得了丰硕的成果。本文基于传统断裂力学中裂纹尖端应力场方程的基础上,通过考虑Williams展开式中的非奇异应力项,重新建立了裂纹尖端断裂准则,分析了不同远场载荷作用下裂纹起裂特性以及双轴压缩作用下的岩石裂纹水力压裂规律,并且基于数值模拟的方法研究了预置双裂纹的贯通机制。得出以下结论：(1)在远场拉-压应力组合下,考虑非奇异项的修正理论相比不考虑非奇异项的传统理论计算出的起裂角与实验结果吻合良好。裂纹表面正应力将出现拉压转换,随着侧压系数|k|和摩擦系数μ的增大,转换临界角增大。起裂角随着裂纹倾角β的增加而减小,裂纹表面为压应力时的减小程度要比裂纹表面为拉应力时小。裂纹表面为压时,裂纹起裂角随着摩擦系数μ的增大而增大。在远场压-压应力组合下,本文修正理论计算的起裂角随着裂纹倾角β的增加而增大。随着摩擦系数μ侧压系数κ、无量纲系数α的增加,裂纹倾角β较小和较大的区域,裂纹尖端的奇异性消失。(2)运用最大周向拉应变理论,建立了岩石裂纹水力压裂的开裂判据,计算了裂纹起裂的临界水压和临界偏转角。随着围压、临界裂纹区r,以及泊松比v的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。当水压高于岩石破裂所需的临界水压,起裂偏转角将随着水压的提高逐渐减小,最后趋于沿着裂纹原有的方向扩展。考虑T应力(非奇异应力项)的修正理论比不考虑T应力的传统理论计算出的临界水压、临界偏转角都要小。(3)采用RFPA2D对预置双裂纹断裂特征进行研究,观察得到四种情况下的扩展与贯通轨迹,分别阐述了翼型裂纹和次生裂纹的形成和扩展机制。定义了三种类型的贯通模式,并且从强度和能量角度进行了论述。从声发射试验可以看出宏观裂纹的扩展是细观单元损伤累计的结果。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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本文编号：2535819