纯剪应力状态下准脆性材料裂缝发育过程的图像及声发射研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wrxingmail
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Ⅱ型裂缝作为一种滑动裂缝,实际包含了两种裂缝:一种是纯Ⅱ型裂缝,其边界未受任何正应力的影响;另外一种是压剪缝,其边界不仅受剪而且受压。压剪缝普遍存在于各种工程结构中,也较容易在实验室中实现。但对于纯Ⅱ型裂缝,却在实验室中极其罕见,很多所谓的纯Ⅱ型裂缝多为压剪缝甚至其它种类裂缝。这是由于:(1)纯Ⅱ型裂缝的实现首先要求裂缝尖端存在着一个纯剪应力状态,这对很多断裂实验是一个挑战;(2)更重要的是,纯剪应力状态下的初始裂缝是否一定沿着纯Ⅱ裂缝的方向发育扩展,本身就是一个疑问。多年的研究表明,很多准脆性材料的裂缝发育遵从最大环向应力准则,也就是最大拉伸应力准则。它同剪切破坏是相互冲突的。所以本文的研究目的是观察在纯剪应力状态下准脆性材料的裂缝发育过程,以理解其断裂破坏机理。实验采用一种Ⅱ型断裂测试方法,叫做双切边压缩实验(DENC),其不仅实验过程相对简单,而且理论上预测了初始缝尖能够产生一个纯剪应力状态。在实验中数字图像相关法和声发射被用于监测裂缝发育过程。通过数字图像相关法获得的位移及应变场,缝尖纯剪应力状态的存在得到了证实。图像和声发射结果显示,砂岩和花岗石试件均会产生两个阶段的裂缝,第一阶段裂缝从槽尖起裂,裂缝为I型裂缝,第二阶段裂缝从试件中心区域起裂,也为I型裂缝;石墨试件仅有第一阶段裂缝,裂缝为I型裂缝。通过理论分析,纯剪应力状态下I型裂缝的发育是完全可能的。所以要实现纯Ⅱ裂缝,仅仅是实现纯剪应力状态是不够的。对于岩石或其它准脆性材料,这结论不仅解释了在实验室内实现纯Ⅱ型裂缝的难度,而且表明了近30年来研究人员所提出的各种针对Ⅱ型裂缝的实验方案,如果它们仅仅是实现了缝尖的纯剪应力状态,那么它们很可能形成的也是I型裂缝,导致了其所谓的Ⅱ型裂缝结果是不可信的。由于对于岩石或其它准脆性材料,裂缝在纯剪应力下并不会产生Ⅱ型裂缝,裂缝会向着垂直于最大拉应力的方向扩展。为了实现准脆性材料的Ⅱ型断裂,必须在裂缝面上施加垂直于裂缝面的正应力以限制拉应力在缝尖的影响。
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