横观各向同性板岩层理角度与抗压强度及断裂韧度的相关规律

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 横观各向同性板岩层理角度与抗压 强度及断裂韧度的相关规律 摘要：利用微机控制电液伺服试 验机和高频疲劳强度试验机对不同层理 角度的板岩进行了单轴压缩试验和双扭 常位移松弛试验，获得了其弹性模量 E，泊松比 ，剪切模量 G 和断裂韧度 KIC 的值。分析了不同组板岩试件的层 理角度与其抗压强度及断裂韧度的相关 规律。研究结果表明：板岩的抗压强度 和断裂韧度都随着口角的增大呈现先减 小后增大的趋势，关系曲线呈“U”形， 并且当 为 45°时其断裂韧度最小；在 不考虑 c 和 值的影响下，当层理角度 为 45°的板岩受载时最容易发生裂纹的 起裂和扩展，从而导致板岩发生破坏； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 在已知 角的情况下，可以利用本试验 得到的关系式求出所对应的断裂韧度的 值。 中国论文网 /4/view-12915108.htm 关键词：板岩；横观各向同性； 层理角度；抗压强度；断裂韧度 中图分类号：TU452 文献标识 码：A 岩石是经过漫长的地质作用形成 的矿物集合体，具有层理状结构的岩石 在层理面内力学性质变化不大，垂直层 理面方向上的力学性质却不同于层理面 内的力学性质，因此这类岩石可简化成 横观各向同性体。目前对各向异性岩石 性质的研究主要集中在以下几个方面： 1）弹性变形参数测定方法的研究；2） 各向异性强度和屈服准则研究；3）各 向异性岩石弹塑性本构模型研究。横观 各向同性是各向异性的一个特例，这些 研究对于进一步认识横观各向同性岩石 弹塑性力学性质具有重要意义。对于横 观各向同性参数的测定，Saint Venant -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 认为剪切模量 G 与 E，E和 存在函 数关系，将横观各向同性岩石的 5 个弹 性参数简化为 4 个弹性参数。但是 Worotnicki 通过试验发现 Saint Venant 提出的横观各向同性参数之间的关系仅 适用于低各向异性度。此后，Talesnick 等通过对 1 个薄壁空心圆柱岩样进行轴 向压缩、环向压缩和扭转，测出其 5 个 弹性参数，这对试验设备以及条件要求 较高，不易进行常规的试验。Gonzaga 等使用单轴压缩仪和三轴压缩仪组成一 个液压静力压缩系统，对 1 个薄壁空心 圆柱试样进行试验，测出了 5 个弹性参 数，但这个试验依然依赖于 Saint Venant 提出的观点。国内外对横观各向 同性岩石强度的研究较多，从最初的单 轴和三轴压缩试验都证实了岩石层理角 度对其弹性参数的影响。通过试验发现 构造应力和自重应力使岩石的压剪破坏 成为最常见的破坏模式。曹文贵等人基 于 Mohr-Coulomb 准则建立了反映岩石 破裂全过程的损伤软化统计本构模型， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 该模型形式简单，能更好地反映工程实 际。处于压剪应力状态的裂纹，其裂纹 尖端仍处于拉剪应力状态，使裂纹发生 转折、断裂面发生分离都是由于张应力 超过了原子间的结合力，并导致型破 坏，即：裂纹的扩展必然包括工型断裂 的机理。为此本文作者用微机控制电液 伺服试验机和高频疲劳强度试验机，采 用单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验 对以一定的 方向（ 为层理面与试件 端面间的夹角）取样的板岩试件进行力 学测试，以获得其横观各向同性的 5 个 弹性参数以及断裂韧度，并且以试验数 据为依据，分析不同组板岩试件的层理 角度对抗压强度及断裂韧度的影响。 1 横观各向同性板岩弹性参数 1.1 板岩的横观各向同性 横观各向同性是正交各向异性的 一个特例，其弹性参数简化为 5 个： E，E， ，和 G2（其中 E， 为平行 于横观各向同性面的 ；E ， G2 为垂直于横观各向同性面的参数） 。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 其平行于各向同性面的任意方向上均具 有相同的弹性参数，而与其垂直的方向 上具有不同的弹性参数，对于像板岩这 样的层状岩石，将其层理面视为各向同 性面，而垂直于层理面方向上具有不同 的弹性参数。图 1 所示为 =0°时的各向 同性面，假定 XOY 平面为弹性对称面， 其横观各向同性参数应满足下面的关系 式： （1） 1.2 横观各向同性板岩弹性参数 的测定 采用微机控制电液伺服试验机对 角分别为 0°，30° ，45°，70°，80°， 90°的直径为 50 mm，高为 100 mm 的标 准圆柱体进行单轴压缩试验，进行分析 后其弹性模量、泊松比和抗压强度值见 表 1。 对于考虑为横观各向同性的岩石 而言，只有在平行于横观各向同性面的 E， 值满足剪切模量 GE/2（1+ ） ， 根据李世平等翻译的岩石力学 ，可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 得到 3 个正交方向剪切模量的表达式： （2）式中：E2 为 =90。时板岩 的弹性模量，E2 为 =0°时的弹性模量， E 为对应的 p 角时的弹性模量；1 为 p=90°时的泊松比，2 为 =0°时的泊松 比；对于各向同性面与水平面有一定夹 角的板岩试件，利用式（2）可获得如 表 2 所示板岩试件 3 个正交方向的 Gxy，Gxz 和 Gyz 的值，因本试验是立 足板岩的横观各向同性以及所采取的加 载方向，故在计算其断裂韧度时，选取 Gxz 作为板岩试件的剪切模量，并且在 XZ 方向板岩试件的剪切模量随着 角 的增加而增大，说明随着层理角度的增 加，板岩试件在 XZ 方向抵抗切应变的 能力增加，不容易发生剪切破坏。从表 2 可知 =0°的板岩试件在 XZ 和 YZ 方 向最易发生剪切破坏，=90°的板岩试 件在 XY 方向最易发生剪切破坏。 2 层理角度与抗压强度的关系 对于单一层理的层状岩体，其破 坏强度受层理角度的影响是很大的，对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 于本实验所用的板岩而言，其可视为只 存在一组平行层理并且以不同角度对板 岩进行压缩的横观各向同性本构模型。 图 2 所示为经过线性拟合后所得到的板 岩试件的口角与抗压强度的关系 c=0.032-2.29+75.83，R2=0.844。从 曲线可看出口角对抗压强度的影响很大， 随着口角的增大，抗压强度呈现先减小 后增大的趋势，并且曲线呈“U”形，拟 合得到的结果与理论一致，该公式能较 好地反映板岩试件抗压强度随 角的变 化规律。而且当 =45°时，其抗压强度 最小，从而得到当层理角度为 45°时的 板岩受到压应力时，最易发生破坏。 3 板岩双扭试验 3.1 试验原理 由于岩石亚临界裂纹扩展长度难 以量测，双扭试验在确定岩石的应力强 度因子时因不需要知道裂纹的扩展长度 而具有广泛的适用性。双扭试验最先用 于测定玻璃和陶瓷的断裂性质，1977 年 后，Cic-cotti 等，Saadaoui 等，Nara 等 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 等将其应用到岩石中去，双扭方法可以 测出岩石的 KIC 参数，进行双扭试验的 试件如图 3 所示，试验设备如图 4 所示。 双扭试件可看做由 2 个弹性扭转 杆组成，对于考虑横观各向同性、小变 形和宽度远大于试件厚度的双扭试件， 结合