岩石热—力—化学（TMC）耦合断裂韧度与断裂机理研究

论文摘要

本文针对众多岩体工程中迫切需要解决的岩石温度-应力-化学耦合断裂问题,采用理论分析与试验验证相结合的方法,开展岩石温度-应力-化学耦合断裂韧度与断裂机理研究,不仅对岩石断裂力学理论的发展具有重要的理论意义,而且对岩体工程的强度计算、安全评估、灾害预测等具有重要的实际意义。通过化学动力学将化学与温度联系起来,提出了岩石温度-化学损伤模型。考虑化学反应对温度的影响,通过温度作用下的弹性模量,提出了岩石温度损伤模型。将温度-化学损伤和温度损伤综合考虑,建立了岩石温度-应力-化学耦合损伤模型。基于损伤力学与断裂力学理论,建立了岩石温度-应力-化学耦合应力强度因子计算公式。临界应力强度因子即断裂韧度值与化学溶液初始浓度、化学反应时间、温度以及岩石成分有关。通过三点弯、平面压剪、反平面压剪实验分别测定了岩石热-力-化学耦合Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型断裂韧度,它们均随温度和化学溶液浓度的增加而降低。断裂韧度实测值与理论值对比,两者吻合较好,验证了岩石温度-应力-化学耦合应力强度因子计算公式的正确性。从化学动力学的角度探讨了岩石热-力-化学耦合断裂机理,通过能量守恒原理,推导出热损伤能变化率公式和化学功率公式,建立了岩石热-力-化学耦合断裂能量率方程,为分析岩石热-力-化学耦合裂纹扩展提供重要依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 热-力（TM）耦合断裂研究现状
• 1.2.2 力-化学（MC）耦合断裂研究现状
• 1.2.3 热-力-化学（TMC）耦合断裂研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 岩石TMC耦合应力强度因子公式推导
• 2.1 岩石TMC耦合损伤模型
• 2.1.1 热-化学（TM）耦合损伤
• 2.1.2 热-力（TM）耦合损伤
• 2.1.3 热-力-化学（TMC）耦合损伤
• 2.2 岩石TMC耦合应力强度因子
• 2.3 本章小结
• 第三章 岩石TMC耦合断裂韧度实验研究
• 3.1 试验方案
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 试件
• 3.1.3 测试方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 断裂轨迹
• 3.2.2 溶液浓度变化函数
• 3.2.3 岩石TMC损伤分析
• 3.2.4 岩石TMC耦合断裂韧度
• 3.3 本章小结
• 第四章 岩石TMC耦合断裂机理分析
• 4.1 岩石TMC耦合作用机理
• 4.1.1 热-化学（TC）耦合作用机理
• 4.1.2 力-化学（MC）耦合作用机理
• 4.1.3 热-力-化学（TMC）耦合作用机理
• 4.2 岩石TMC耦合断裂能量分析
• 4.2.1 热损伤能变化率
• 4.2.2 化学功率
• 4.2.3 能量率方程
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 全文结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间主要研究成果