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研究生： 王凱正
wang, kai-zheng
論文名稱： 以單壓雙裂縫試驗量測石膏Ⅱ型破裂韌度之研究
The Measurement of the Mode II Fracture Toughness of Gypsum Using Short Beam Compression Test
指導教授： 王建力
Wang, Jian-li
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 93
中文關鍵詞： 破裂韌度 、石膏
外文關鍵詞： Fracture Toughness, Gypsum
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    • 本研究針對一種類似軟岩性質之石膏材料，進行物理模型試驗，將此材料製備成具有雙裂縫之矩形試體，兩端施加均佈壓力，使其受到II型滑裂模態作用，以求取其II型破裂韌度。
    本研究發現具圍束作用的試體破裂韌度明顯高於無圍束作用的試體。為達到II型滑裂模態之作用，本研究發現具束制作用的試體裂縫間距比介於0.1~0.25，無束制作用之試體，其裂縫間距比範圍介於0.1~0.3。若裂縫間距比超過此範圍，則試體破壞路徑將造成張力破壞。本研究進一步利用數值分析軟體ANSYS計算出II型應力強度因子迴歸公式，並與前人之研究成果比較，發現隨著裂縫間距比增加幾何校正係數亦隨之增加，與Ko & Kemeny等人之研究成果接近。

    This study attempts to measure the Mode II fracture toughness of gypsum. The gypsum is usually modelled as a rock-like material. The experimental setup is based on the configuration of short beam compression. This study examines the influence of the seperation of crack interval and the effect of confinement on the shear strength of the samples. It is found that the test condition is favorable for Mode II when the seperation ratio is between 0.1 and 0.25 for the confined test and the seperation ratio is between 0.1 and 0.3 for the unconfined test. When the seperation ratio exceeds the specified range, the fracture condition will become an undesirable tensile failure. This study also uses a finite element package ANSYS to evaluate the correlation equation of stress intensity factor for the short beam compression test.

    目錄 摘要.................................................................................................................Ⅰ Abstract...........................................................................................................Ⅱ 誌謝.................................................................................................................Ⅲ 目錄.................................................................................................................Ⅳ 表目錄.............................................................................................................Ⅶ 圖目錄.............................................................................................................Ⅷ 符號表.........................................................................................................ⅩⅡ 第一章 緒論.....................................................................................................1 1-1 研究背景與動機與目的......................................................................1 1-2 研究內容及流程..................................................................................2 第二章 文獻回顧.............................................................................................4 2-1 岩石模擬材料的條件..........................................................................4 2-2 岩石模型材料之選擇..........................................................................7 2-3 II型破裂韌度量測方法相關理論......................................................8 第三章 室內試驗...........................................................................................18 3-1 試驗方法與儀器...............................................................................18 3-2 試驗材料簡介與製作程序...............................................................21 3-3 實驗介紹...........................................................................................25 3-3-1 單軸壓縮試驗 ......................................................................25 3-3-2 巴西試驗................................................................................28 3-3-3 摩擦試驗................................................................................32 3-3-4 四點剪切試驗........................................................................34 3-3-5 單壓雙裂縫試驗....................................................................36 第四章 試驗結果之分析與討論...................................................................38 4-1 石膏材料之模擬與分析...................................................................38 4-1-1 單軸壓縮試驗結果................................................................38 4-1-2 巴西試驗結果........................................................................41 4-1-3 摩擦試驗結果........................................................................42 4-1-4 石膏材料之模擬結果............................................................43 4-1-5 四點剪切試驗結果................................................................45 4-1-5 巴西試驗求取Ⅰ破裂韌度…………………………………46 4-2 單軸雙裂縫試驗結果........................................................ ...............47 4-2-1 試體厚度效應................................................. ......................47 4-2-2 無圍束作用單壓雙裂縫試驗結果........................................49 4-2-3 具圍束作用單壓雙裂縫試驗結果........................................54 4-2-4 試體受溫度效應的影響........................................................59 4-2-5 試體尺寸的影響....................................................................62 第五章 數值分析..........................................................................................64 5-1 ANSYS數值解.....................................................................................64 5-1-1 程式架構................................................................................64 5-1-2 程式簡介................................................................................67 5-1-3 數值模型建立步驟................................................................71 5-1-4 求取裂縫尖端應力強度因子之方法....................................73 5-2 案例分析 ..........................................................................................75 5-2-1 裂縫尖端應力分佈................................................................75 5-2-2 無圍束作用試體應力強度因子之求取................................76 5-2-3 具圍束作用試體應力強度因子之求取................................80 5-3 推求應力強度因子迴歸式................................................................84 第六章 結論與建議......................................................................................87 6-1 結論.....................................................................................................87 6-2 建議.....................................................................................................89 參 考 文 獻..................................................................................................90 表目錄 頁次 表2-1 模擬岩石材料參數........................................................................5 表3-1 B級CASE石膏基本性質表........................................................21 表3-2 B級CASE石膏成分表.................................................................22 表4-1 石膏材料單軸壓縮試驗結果及相關分析...................................39 表4-2 石膏材料巴西試驗結果及相關分析...........................................41 表4-3 石膏材料之力學試驗結果...................................................43 表4-4 軟弱岩石無因次項的範圍...........................................................44 表4-5 四點剪切試驗破裂韌度表...........................................................45 表4-6 無圍束作用單壓雙裂縫試體試驗結果.......................................53 表4-7 具圍束作用單壓雙裂縫試體試驗結果.......................................58 表4-8 經烤箱以60∘C烘烤試體剪力強度結果...................................61 表4-9 經室溫養護的單壓雙裂縫試體剪力強度結果...........................61 表4-10 將試體放大八倍剪力強度結果...................................................63 表4-11 原尺寸的單壓雙裂縫試體剪力強度結果...................................63 表5-1 計算出各裂縫間距比之裂縫尖端應力強度因子......................76 表5-2 計算出各裂縫間距比之裂縫尖端應力強度因子......................80 表5-3 校正係數比較...............................................................................86 圖目錄 頁次 圖1-1 破裂力學中三種基本加載型態.....................................................2 圖1-2 研究流程圖.....................................................................................3 圖2-1 岩石模擬材料分類.........................................................................6 圖2-2 純剪破裂試驗示意圖.....................................................................8 圖2-3 四點剪切試驗示意圖...................................................................9 圖2-4 衝穿剪切試驗示意圖...................................................................10 圖2-5 衝穿剪切試驗應力應變圖...........................................................10 圖2-6 四點彎剪切試驗...........................................................................11 圖2-7 三種岩體最終破裂形式...............................................................12 圖2-8 單壓雙裂縫試驗示意圖...............................................................14 圖2-9 各組裂縫間距校正系數...............................................................15 圖2-10 各裂縫間距(a/w)破壞路徑.........................................................15 圖2-11 單壓雙裂縫試驗示意圖...............................................................16 圖2-12 各裂縫間距(a/w)破壞路徑..........................................................17 圖2-13 校正係數曲線...............................................................................17 圖3-1 載重系統與數值擷取系統配置示意圖.......................................20 圖3-2 製作石膏試體的流程圖...............................................................24 圖3-3 單軸壓縮試驗流程圖...................................................................27 圖3-4 巴西試驗弧型載重夾具.............................................................28 圖3-5 巴西試驗之受力分析圖...............................................................29 圖3-6 巴西試驗試體製作流程.............................................................31 圖3-7 摩擦試驗試體製作流程圖...........................................................33 圖3-8 四點彎曲試驗試體製作流程圖...................................................35 圖3-9 單壓雙裂縫試驗試體製作流程圖...............................................37 圖4-1 石膏材料單壓強度與含水量對時間之關係曲線.......................39 圖4-2 石膏材料橫向和縱向之應力應變曲線.......................................40 圖4-3 石膏材料的單軸壓縮試驗之應力應變曲線...............................41 圖4-4 巴西試驗試體破壞情形...............................................................42 圖4-5 石膏材料之摩擦試驗結果...........................................................45 圖4-6 ISRM 之地質材料分類...............................................................43 圖4-7 四點彎曲試驗試體破壞情形.......................................................45 圖4-8 單壓雙裂縫試驗試體剪力強度結果...........................................47 圖4-9 單壓雙裂縫試驗試體破壞路徑...................................................48 圖4-10 無圍束作用單壓雙裂縫試體各裂縫間距結果...........................49 圖4-11 試體裂縫間距比設計為a/w=0.1.................................................50 圖4-12 試體裂縫間距比設計為a/w=0.15...............................................50 圖4-13 試體裂縫間距比設計為a/w=0.2.................................................51 圖4-14 試體裂縫間距比設計為a/w=0.25...............................................51 圖4-15 試體裂縫間距比設計為a/w=0.3.................................................52 圖4-16 試體裂縫間距比設計為a/w=0.4.................................................52 圖4-17 具圍束作用單壓雙裂縫試體各裂縫間距結果...........................54 圖4-18 試體裂縫間距比設計為a/w=0.1.................................................55 圖4-19 試體裂縫間距比設計為a/w=0.15...............................................55 圖4-20 試體裂縫間距比設計為a/w=0.2.................................................56 圖4-21 試體裂縫間距比設計為a/w=0.25...............................................56 圖4-22 試體裂縫間距比設計為a/w=0.3.................................................57 圖4-23 試體經烘箱以60°c烘烤，裂縫間距比為0.25..........................59 圖4-24 試體破壞面檢視...........................................................................60 圖4-25 經烘箱烘烤與室溫養護試體剪力強度結果...............................61 圖4-26 試體體積放大八倍，裂縫間距比為0.25...................................62 圖4-27 試體尺寸放大八倍與原尺寸試體結果比較...............................63 圖5-1 ANSYS程式架構.........................................................................65 圖5-2 ANSYS分析流程.........................................................................66 圖5-3 ANSYS之PLANE82元素與其退化之三角元素......................67 圖5-4 二維度奇異元素...........................................................................67 圖5-5 ANSYS應力強度因子之計算流程.............................................68 圖5-6 定義裂紋路徑...............................................................................69 圖5-7 定義裂紋尖端的局部座標...........................................................70 圖5-8 模型邊界條件之對稱性...............................................................70 圖5-9 建立數值模型大小、形狀...........................................................71 圖5-10 將模型的裂縫尖端預設等比例之刻槽.......................................74 圖5-11 裂縫間距內主應力與剪應力分佈圖...........................................75 圖5-12 裂縫間距比為0.1之裂縫尖端應力強度因子............................77 圖5-13 裂縫間距比為0.15之裂縫尖端應力強度因子....................77 圖5-14 裂縫間距比為0.2之裂縫尖端應力強度因子.......................78 圖5-15 裂縫間距比為0.25之裂縫尖端應力強度因子..........................78 圖5-16 裂縫間距比為0.3之裂縫尖端應力強度因子.....................79 圖5-17 各裂縫間距比之裂縫尖端應力強度因子...................79 圖5-18 裂縫間距比為0.1之裂縫尖端應力強度因子...........................81 圖5-19 裂縫間距比為0.15之裂縫尖端應力強度因子........................81 圖5-20 裂縫間距比為0.2之應力強度因子.........................................82 圖5-21 裂縫間距比為0.25之應力強度因子......................................82 圖5-22 各裂縫間距比之應力強度因子分佈..........................................83 圖5-23 各裂縫校正系數曲線...................................................................85 圖5-24 與前人文獻幾何校正曲線圖.......................................................86 圖5-25 平面應力與平面應變幾何校正曲線圖.......................................86

    參考文獻

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    下載圖示 校內：2008-07-06公開
    校外：2008-07-06公開
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