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研究生: 石秉儒
Shih, Biing-Rur
論文名稱: 不同溫度下砂岩之四點彎曲複合型斷裂韌度試驗與其基本力學性質之研究
A Study of the Measurement of Mixed-Mode Fracture Toughness of Sandstones by Four-Point Bending Tests and their Basic Mechanical Properties under Various Thermal Conditions
指導教授: 王建力
Wang, Chien-Lee
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: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 126
中文關鍵詞: 砂岩溫度四點彎曲試驗複合型斷裂韌度
外文關鍵詞: Sandstones, Temperature, Four-Point bending test, Mixed-mode fracture toughness
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  • 本研究以砂岩作為試驗材料,先將岩樣裁切製成單裂縫矩型試體,再將其置於不同溫度下養護24小時後取出,並自然冷卻至常溫,透過五種不同組合之跨距進行四點彎曲試驗,並將破壞應力代入公式換算,得到I+II及II+III複合型斷裂韌度。本研究另外針對砂岩量測超音波及單軸抗壓等基本材料性質。
    本研究利用不同跨距組合進行四點彎曲斷裂試驗,會得到不同斷裂韌度之數值。在I+II型試驗部分:五部種跨距會各別產生純I型、I+II複合型(偏I型)、I+II複合型(I、II各半型)、I+II複合型(偏II型)與純II型斷裂。在II+III型試驗部分:KIII值約為KII值之三倍。在加入溫度條件後,顯示溫度差升高會造成試體斷裂韌度降低及出現斷裂在加壓點之情況或斷裂在非預製裂隙上之斷裂樣態。

    In order to measure the mixed-mode fracture toughness of rocks, single edge-cracked bending specimens under four-point bending configurations were proposed in this study. We selected sandstones as the testing materials. Two different experimental setups of four-point bending tests for modes I+II and II+III, respectively, were carried out in this study. There were five loading conditions for measuring the mode I+II fracture toughness and also five loading conditions for measuring the mode II+III fracture toughness. Another setups are thermal conditions which are 25°C,300°C,600°C. Theoretical formulas developed by Wang et al. (1979) for mode I+II fracture toughness and Tohgo et al. (1986) for mode II+III fracture toughness were adopted in the study. A series of experiments were conducted on these specimens. Correlations between mixed-mode fracture toughness and other mechanical properties were also discussed in this study. In addition to mixed-mode fracture toughness, experimental results include uniaxial compressive strength, dynamic Young’s modulus, dynamic Poisson’s ratio. For the cases of mode I+II testing, the loading conditions were chosen so that five fracture modes which were pure mode I, mode I+II for three, and pure mode II were achieved. It is observed that the fracture toughness in 25°C condition is higher than that in 300°C and 600°C conditions. For the cases of mode II+III testing, it is observed that the mode II fracture toughness is proportional to the mode III fracture toughness under the prescribed loading conditions.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 XXIII 目錄 XXIV 表目錄 XXVII 圖目錄 XXIX 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2研究目的與內容 2 第二章 文獻回顧 4 2.1斷裂力學發展 4 2.2斷裂力學基本理論 7 2.3複合型斷裂韌度試驗 21 2.3.1 I+II型斷裂 21 2.3.2 II+III型斷裂 25 2.4與溫度條件有關之斷裂韌度試驗 29 第三章 研究設備與試驗方法 38 3.1試驗規劃 38 3.2斷裂韌度試驗公式 39 3.2.1 I+II型斷裂 39 3.2.2 II+III型斷裂 42 3.3試體材料與製備 45 3.3.1砂岩組成與特性 45 3.3.2試體製備 47 3.3.2.1單軸抗壓試體 47 3.3.2.2斷裂韌度試體 48 3.3.2.3斷裂韌度試體升溫與降溫之時間關係 50 3.4試體製備 51 3.4.1載重控制系統 51 3.4.2動力系統 52 3.4.3載重系統 52 3.4.4資料擷取系統 53 3.4.5試體製備儀器 54 3.4.6試體量測儀器 56 3.5試驗方法 57 3.5.1超音波量測試驗 57 3.5.2單軸抗壓試驗 58 3.5.3四點彎曲試驗 59 3.5.4裂縫開口位移量測試驗 60 第四章 結果與討論 61 4.1基本物理性質 61 4.1.1超音波量測 61 4.1.2單軸抗壓試驗 62 4.2四點彎曲試驗 63 4.2.1 I+II型斷裂 63 4.2.1.1 K值討論 63 4.2.1.2 試驗後試體斷裂觀察 75 4.2.1.3 加壓歷時與開口位移歷時 83 4.2.2 II+III型斷裂 93 4.2.2.1 K值討論 93 4.2.2.2試驗後試體斷裂觀察 103 4.2.2.3加壓歷時與開口位移歷時 111 第五章 結論與建議 120 5.1結論 120 5.2建議 122 參考文獻 123

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