含三维裂隙脆性岩体破裂机理及裂纹重构数值分析
发布时间：2021-07-16 09:28
在实际工程中,岩石被看成是一种内部含有大量损伤缺陷的非连续材料,这些缺陷会对岩石在外力干扰下的裂纹扩展、贯穿机理以及力学性质产生重大影响,导致岩体的强度降低、刚度减小,引发一系列塌方、滑坡、岩爆等重大工程地质灾害。但由于试件加工技术以及实验采集设备的局限,研究中大多将此类问题简化为二维破坏模型或者采用类岩石材料的三维破坏实验,但简化为二维破坏模式会导致重要的三维信息丢失而且类岩石材料和岩石材料的破坏有着本质的不同。此外,基于三维损伤在岩石中的普遍性,开展岩石材料的三维裂纹扩展实验研究对实际工程设计、施工意义重大。本文对砂岩预制两种深度下,三种角度的非连续三维表面裂纹的试件进行单轴压缩实验,结合数字图像相关法进行表面变形的动态捕捉,并对破坏的试件进行CT扫描,运用图像处理技术将裂纹进行三维重构,弥补实验观测过程中的内部破坏信息丢失的不足,分析发现三维破坏与二维破坏规律有着显著的不同,获得主要成果如下:首先,当预制裂纹深度d和试件厚度t的比值d/t≥1/3时,破坏模式更接近于二维贯穿破坏;当d/t<1/3时,具有更明显的三维表面破坏模式;其次,实验试件单轴压缩强度受深度因素影响较为明...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
格里菲斯平板
机理。此后，Einstein和Reyes[17]对石膏类岩石材料制作的两条预制裂纹试样进行单轴压缩实验，用高速摄像机记录了翼型裂纹以及反翼型裂纹的萌生和扩展过程。Park和Robet等人[18]继续采用石膏材料制作三根裂纹的单轴压缩实验，首次观测出三种不同的裂纹在预制裂纹尖端萌生，包括翼型裂纹、次生共面裂纹以及次生非共面裂纹。在预制三根裂纹的破坏研究中，潘鹏志和冯夏庭等人[19]运用岩石材料实验试件的单轴压缩实验，通过控制因素法对比发现三根裂纹间不同的倾角及岩桥角度均对试件破坏以及贯通模式有着不同程度的影响。图1.2类岩石材料破坏模式Fig1.2rock-lilematerialcrackfailuremode在二维裂纹的扩展方面，无论是理论推导还是实验分析中，近些年学者们的研究都取得了不小的成果。而三维裂纹由于更加复杂的数学模型、实验试件加工
重庆大学硕士学位论文4困难以及现场观测技术的缺陷等因素，都给三维裂纹的研究带来了不小的阻碍。然而，现实中的岩土体为非均匀、不连续体，内部存在着各种各样的缺陷，仅仅将其简化为二维模型是不科学的，因此开展三维裂纹的研究显得尤为重要。图1.3三维单裂纹扩展研究Fig1.3singlecrackpropagation关于三维裂纹实验最早开展的是Erdogan[20-22]等学者，在通过大量的实验方法得到的结论：预制裂纹是沿着最大拉应力作用方向延伸的。在1969年，Sommer[22]运用实验方法研究了复合型裂纹的扩展、贯通规律以及其破坏的力学特性。随后，Adams和Sines[23-24]继续运用相似材料，但和以往不同的创新性是采用了具有透明性的有机玻璃材料，在实验试件中预制了三维的椭圆状裂纹的PMMA试件进行单轴压缩实验，首次观测出次生裂纹的扩展情况，以及裂纹尖端鱼鳍状裂纹随着加载增大开始在四周出现花瓣状的裂纹扩展现象，为裂纹扩展的观察提供了新思路。Teng和Yin[25]在此后连续进行了有机玻璃、大理岩等三维裂纹试件的压缩实验，来观察复合型裂纹的扩展模式和规律。此后，Wong等人[25-28]同样运用PMMA材料预制了椭圆形钱币状三维裂纹进行了单轴及双轴实验，表明了裂纹的扩展长度与试样的厚度存在着一定的关系，在厚度越大的情况下，裂纹的扩展长度越校黄明利和黄凯珠等人[29]，同样运用PMMA制作的三维表面裂纹试件进行单轴破坏得出结论，三维裂纹的贯通主要有两种方式：一种情况是三维预制裂纹与后期的翼型裂纹以相互搭接的方式形成贯通，另一种是预制裂纹尖端的翼型裂纹相互整合而形成的类似于第二型裂纹的花瓣状贯通；此外，研究发现了裂纹扩展方式和表面裂纹深度有着很大的关系：当d/t≥1/3（d为试件的厚度，t为表面裂纹的最大
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴加载三维裂纹破裂演化规律试验研究[J]. 孙熙震,张保良,尹大伟,沈宝堂. 应用基础与工程科学学报. 2019(04)
[2]数字体图像相关方法研究进展[J]. 潘兵,王博. 科学通报. 2017(16)
[3]不同裂隙相对张开度下类岩石材料断裂试验与破坏机理[J]. 蒲成志,曹平,陈瑜,衣永亮,张向阳. 中南大学学报(自然科学版). 2011(08)
[4]移动立方体算法的研究和改进[J]. 钱峰,马秀丽,杨胜齐,万旺根. 计算机工程与应用. 2010(34)
[5]基于显微CT试验的岩石孔隙结构算法研究[J]. 李建胜,王东,康天合. 岩土工程学报. 2010(11)
[6]循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究[J]. 李树春,许江,杨春和,蒲毅彬,马巍. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
[7]预制裂纹几何与材料属性对岩石裂纹扩展的影响研究[J]. 潘鹏志,丁梧秀,冯夏庭,姚华彦,周辉. 岩石力学与工程学报. 2008(09)
[8]X线CT研究与发展之展望[J]. 王革,俞恒永,勃鲁努·德·曼,庄天戈,赵俊. 中国医疗器械杂志. 2008(03)
[9]一种基于自适应的新型中值滤波算法[J]. 雷超阳,刘军华,张敏. 计算机工程与应用. 2008(12)
[10]三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究[J]. 黄明利,黄凯珠. 岩石力学与工程学报. 2007(09)
博士论文
[1]岩石孔隙结构三维随机重构研究[D]. 肖南.重庆大学 2018
硕士论文
[1]采用DIC研究岩石—混凝土界面裂缝扩展过程[D]. 王娜.大连理工大学 2016
[2]数字图像相关（DIC）测量方法在材料变形研究中的应用[D]. 白晓虹.东北大学 2011
本文编号：3286745
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
格里菲斯平板
机理。此后，Einstein和Reyes[17]对石膏类岩石材料制作的两条预制裂纹试样进行单轴压缩实验，用高速摄像机记录了翼型裂纹以及反翼型裂纹的萌生和扩展过程。Park和Robet等人[18]继续采用石膏材料制作三根裂纹的单轴压缩实验，首次观测出三种不同的裂纹在预制裂纹尖端萌生，包括翼型裂纹、次生共面裂纹以及次生非共面裂纹。在预制三根裂纹的破坏研究中，潘鹏志和冯夏庭等人[19]运用岩石材料实验试件的单轴压缩实验，通过控制因素法对比发现三根裂纹间不同的倾角及岩桥角度均对试件破坏以及贯通模式有着不同程度的影响。图1.2类岩石材料破坏模式Fig1.2rock-lilematerialcrackfailuremode在二维裂纹的扩展方面，无论是理论推导还是实验分析中，近些年学者们的研究都取得了不小的成果。而三维裂纹由于更加复杂的数学模型、实验试件加工
重庆大学硕士学位论文4困难以及现场观测技术的缺陷等因素，都给三维裂纹的研究带来了不小的阻碍。然而，现实中的岩土体为非均匀、不连续体，内部存在着各种各样的缺陷，仅仅将其简化为二维模型是不科学的，因此开展三维裂纹的研究显得尤为重要。图1.3三维单裂纹扩展研究Fig1.3singlecrackpropagation关于三维裂纹实验最早开展的是Erdogan[20-22]等学者，在通过大量的实验方法得到的结论：预制裂纹是沿着最大拉应力作用方向延伸的。在1969年，Sommer[22]运用实验方法研究了复合型裂纹的扩展、贯通规律以及其破坏的力学特性。随后，Adams和Sines[23-24]继续运用相似材料，但和以往不同的创新性是采用了具有透明性的有机玻璃材料，在实验试件中预制了三维的椭圆状裂纹的PMMA试件进行单轴压缩实验，首次观测出次生裂纹的扩展情况，以及裂纹尖端鱼鳍状裂纹随着加载增大开始在四周出现花瓣状的裂纹扩展现象，为裂纹扩展的观察提供了新思路。Teng和Yin[25]在此后连续进行了有机玻璃、大理岩等三维裂纹试件的压缩实验，来观察复合型裂纹的扩展模式和规律。此后，Wong等人[25-28]同样运用PMMA材料预制了椭圆形钱币状三维裂纹进行了单轴及双轴实验，表明了裂纹的扩展长度与试样的厚度存在着一定的关系，在厚度越大的情况下，裂纹的扩展长度越校黄明利和黄凯珠等人[29]，同样运用PMMA制作的三维表面裂纹试件进行单轴破坏得出结论，三维裂纹的贯通主要有两种方式：一种情况是三维预制裂纹与后期的翼型裂纹以相互搭接的方式形成贯通，另一种是预制裂纹尖端的翼型裂纹相互整合而形成的类似于第二型裂纹的花瓣状贯通；此外，研究发现了裂纹扩展方式和表面裂纹深度有着很大的关系：当d/t≥1/3（d为试件的厚度，t为表面裂纹的最大
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴加载三维裂纹破裂演化规律试验研究[J]. 孙熙震,张保良,尹大伟,沈宝堂. 应用基础与工程科学学报. 2019(04)
[2]数字体图像相关方法研究进展[J]. 潘兵,王博. 科学通报. 2017(16)
[3]不同裂隙相对张开度下类岩石材料断裂试验与破坏机理[J]. 蒲成志,曹平,陈瑜,衣永亮,张向阳. 中南大学学报(自然科学版). 2011(08)
[4]移动立方体算法的研究和改进[J]. 钱峰,马秀丽,杨胜齐,万旺根. 计算机工程与应用. 2010(34)
[5]基于显微CT试验的岩石孔隙结构算法研究[J]. 李建胜,王东,康天合. 岩土工程学报. 2010(11)
[6]循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究[J]. 李树春,许江,杨春和,蒲毅彬,马巍. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
[7]预制裂纹几何与材料属性对岩石裂纹扩展的影响研究[J]. 潘鹏志,丁梧秀,冯夏庭,姚华彦,周辉. 岩石力学与工程学报. 2008(09)
[8]X线CT研究与发展之展望[J]. 王革,俞恒永,勃鲁努·德·曼,庄天戈,赵俊. 中国医疗器械杂志. 2008(03)
[9]一种基于自适应的新型中值滤波算法[J]. 雷超阳,刘军华,张敏. 计算机工程与应用. 2008(12)
[10]三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究[J]. 黄明利,黄凯珠. 岩石力学与工程学报. 2007(09)
博士论文
[1]岩石孔隙结构三维随机重构研究[D]. 肖南.重庆大学 2018
硕士论文
[1]采用DIC研究岩石—混凝土界面裂缝扩展过程[D]. 王娜.大连理工大学 2016
[2]数字图像相关（DIC）测量方法在材料变形研究中的应用[D]. 白晓虹.东北大学 2011
本文编号：3286745
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/diqiudizhi/3286745.html
