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岩石断裂力学


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岩石断裂力学
  • 书号:9787030443991
    作者:李世愚,和泰名,尹祥础
  • 外文书名:
  • 丛书名:
  • 装帧:平装
    开本:B5
  • 页数:
    字数:
    语种:zh-Hans
  • 出版社:
    出版时间:
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  • 定价: ¥198.00元
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本书主要论述断裂力学的基础理论及其在岩土工程与地球科学中的应用,涉及岩土工程安全、震源物理、矿山地震等跨尺度的岩体破裂问题.基础理论部分包括线弹性断裂力学、非线性断裂力学,断裂力学参数和破裂物理判据,侧重于压力之下岩石内部的微裂纹的萌生、演化、集结(成核),破裂周围的应力场和位移场,破裂扩展途径,断层的剪切破坏,三维脆性破裂问题以及地震破裂在地表的出露等.延拓与应用部分主要包括岩石断裂的物理要素、物理效应及其地面物理测度.物理要素首先是应力条件,其次是流体的参与,再次是破裂面的滑动弱化或速率强化.这些要素不仅决定破裂的起始,还决定着破裂的停止.破裂的物理效应主要探讨声学现象,包括声发射(地震活动性)、波速变化、波速各向异性、低频辐射等.地面物理测度主要讨论上述物理效应在地面的可测问题,以声学现象为主.本书引进了模拟实验的相似性理论,以论证岩石破裂实验怎样设计才能满足向大尺度外推的条件,对数值模拟也作了一定的介绍.
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    前言
    主要符号表外国人名译名对照表
    第1章绪论1
    1.1岩石断裂力学的内容和意义1
    1.2岩石结构的不均匀性和力学特征3
    1.3岩石的全应力应变曲线5
    1.4岩石破坏的类型7
    1.4.1纵向破裂7
    1.4.2剪切破坏8
    1.4.3拉伸破裂8
    1.5地壳中的断层8
    第2章线弹性断裂力学11
    2.1格里菲斯理论和断裂力学的发展11
    2.2克罗索夫穆斯海里什维里应力函数14
    2.2.1裂纹的三种基本类型14
    2.2.2克罗索夫穆斯海里什维里函数14
    2.2.3Ⅰ型裂纹的KM应力函数15
    2.2.4Ⅱ型裂纹的KM应力函数16
    2.3威斯特嘎德应力函数———Ⅰ型裂纹17
    2.3.1威斯特嘎德应力函数17
    2.3.2含Ⅰ型裂纹无限大板的应力分布17
    2.3.3Ⅰ型裂纹的威斯特嘎德函数与KM应力函数的换算关系18
    2.3.4含Ⅰ型裂纹无限大板的位移场19
    2.3.5Ⅰ型裂纹周围应力和位移的辐角式19
    2.3.6Ⅰ型裂纹面上的位移20
    2.3.7Ⅰ型裂纹周围应力分布的全场图21
    2.3.8Ⅰ型裂纹端部的应力与位移23
    2.4威斯特嘎德应力函数———Ⅱ型裂纹25
    2.4.1无限大板含中心Ⅱ型裂纹的威斯特嘎德应力函数25
    2.4.2Ⅱ型裂纹的威斯特嘎德函数与KM应力函数的关系26
    2.4.3Ⅱ型裂纹周围应力和位移的辐角式26
    2.4.4Ⅱ型裂纹面上的位移26
    2.4.5Ⅱ型裂纹周围的应力全场分布图形27
    2.4.6Ⅱ型裂纹端部的应力与位移29
    2.5威斯特嘎德应力函数———Ⅲ型裂纹30
    2.5.1无限大板含中心Ⅲ型裂纹的威斯特嘎德应力函数30
    2.5.2Ⅲ型裂纹周围全场应力和位移的辐角式32
    2.5.3Ⅲ型裂纹面上的位移32
    2.5.4受远场剪切力Ⅲ型裂纹周围全场应力分布图形32
    2.5.5Ⅲ型裂纹端部附近的应力和位移34
    2.6破裂周围应力的近场式与全场式的关系35
    第3章应力强度因子、断裂韧性和能量释放率41
    3.1应力强度因子与断裂韧性41
    3.1.1应力强度因子的基本概念41
    3.1.2断裂韧性42
    3.1.3应力强度因子的计算42
    3.2无限大裂纹体中集中力及集中力偶作用时的应力强度因子46
    3.2.1集中力46
    3.2.2集中力及集中力偶作用时的应力强度因子47
    3.3其他一些情况下求应力强度因子49
    3.3.1集中力作用于裂纹上表面49
    3.3.2相等的集中力作用于裂纹上下表面的对应点上50
    3.3.3裂纹面上作用一对集中力的威斯特嘎德函数51
    3.3.4裂纹面上作用对称于x、y轴的集中力52
    3.3.5裂纹面上作用对称于x、y轴的分布载荷53
    3.3.6裂纹面上受对称于x轴的任意分布载荷的作用54
    3.3.7裂纹面上的载荷对于x对称,但对于y反轴对称分布54
    3.3.8有限宽板中心裂纹受无限远分布载荷的作用55
    3.3.9有限宽板中边缘裂纹受无限远分布载荷的作用55
    3.3.10有限宽板中心裂纹受有限远对称于x轴点载荷的作用55
    3.3.11应用叠加原理求K的例子56
    3.3.12无限大弹性体中有一圆盘形裂纹,无限远处在垂直于裂纹面的方向上作用均匀拉应力57
    3.4能量释放率及其与应力强度因子间的关系57
    3.4.1基本概念57
    3.4.2常位移的情形59
    3.4.3常载荷的情况60
    3.4.4更一般的情形61
    3.4.5贝克纳尔公式61
    3.4.6G与K之间的关系64
    3.4.7裂纹应变能65
    3.4.8两种判据的等效条件66
    第4章脆性断裂的判据与相似性定理67
    4.1基本概念67
    4.1.1破裂判据67
    4.1.2受压裂纹问题的特殊性67
    4.2最大环向应力理论68
    4.2.1最大环向张应力准则68
    4.2.2应力只保留奇异项的分析69
    4.2.3裂纹开始扩展的应力条件71
    4.2.4单轴拉伸条件下含斜裂纹材料的抗拉脆断能力72
    4.2.5应力保留到零阶项修正74
    4.3应变能密度因子理论77
    4.3.1应变能密度因子的概念77
    4.3.2应用78
    4.4最大能量释放率理论81
    4.5最大张应力理论82
    4.5.1最大张应力判据82
    4.5.2欧拉角极值搜索法83
    4.6库仑莫尔准则83
    4.6.1库仑莫尔准则83
    4.6.2拜尔利定律87
    4.7岩石失稳破坏的条件90
    4.7.1加载系统的刚度90
    4.7.2失稳条件91
    4.8相似理论和岩石断裂力学实验设计基础93
    4.8.1量纲分析的基本概念94
    4.8.2相似第一定理95
    4.8.3用方程式分析结构相似96
    4.8.4相似第二定理———π定理99
    4.8.5弹性力学静力学的相似关系103
    4.8.6需要说明的问题105
    4.8.7相似第三定理106
    4.8.8弹性结构中的相似性106
    4.8.9量纲分析与相似定理在岩石断裂力学中的应用110
    第5章非线性断裂力学111
    5.1引言111
    5.2岩石微裂纹的演化与成核111
    5.2.1热缺陷与热激活111
    5.2.2缺陷的塞积与微裂纹的成核112
    5.2.3微裂纹的演化导致成核的实验观测114
    5.2.4过程区115
    5.2.5微破裂成核理论115
    5.2.6岩石破裂成核的分形117
    5.3损伤理论介绍117
    5.3.1损伤变量117
    5.3.2细观非均匀性的表征及其统计分布119
    5.3.3统计细观损伤力学介绍119
    5.4内聚力模型120
    5.4.1自相似内聚带———Ⅰ型裂纹120
    5.4.2非自相似内聚带模型———Ⅱ或Ⅲ型裂纹121
    5.5岩石的塑性122
    5.5.1塑性理论的基本概念122
    5.5.2Mises屈服条件125
    5.5.3Tresca屈服条件126
    5.6裂纹端部塑性区大小的估算126
    5.6.1塑性区尺寸的一级估算126
    5.6.2塑性区应力松弛的影响———塑性区尺寸的二级估算128
    5.6.3Irwin的等效裂纹修正129
    5.6.4带状屈服模型130
    5.7裂纹端部张开位移δ131
    5.7.1COD判据131
    5.7.2帕里斯位移公式132
    5.7.3无限远处均匀应力σ产生的张开位移134
    5.7.4点力对引起的张开位移135
    5.7.5分布力引起的张开位移135
    5.7.6DGM模型的裂纹顶端张开位移136
    5.8裂纹扩展阻力R和亚临界扩展137
    5.8.1微裂纹的亚临界扩展137
    5.8.2在塑性条件下的断裂准则139
    5.9J积分141
    5.9.1J积分的定义141
    5.9.2J积分的守恒性142
    5.9.3J积分与K及G的关系143
    第6章扁椭圆裂纹模式147
    6.1保角变换—曲线坐标中的复势、应力和位移147
    6.2无限大平板中椭圆孔受均布作用力的问题148
    6.2.1椭圆坐标系148
    6.2.2无限大平板中椭圆孔受单向拉伸问题149
    6.2.3椭圆变成一条直裂纹的情形151
    6.2.4含椭圆孔的无限平板受双向拉伸的问题152
    6.2.5含椭圆孔的无限平板受纯剪应力的问题152
    6.2.6含椭圆孔的无限平板在椭圆孔内部周边上受均布压力的问题152
    6.3受压情况下的扁椭圆裂纹模型153
    6.3.1压力下孔边最大张应力153
    6.3.2使孔边最大张应力为最大的β值156
    6.3.3扁椭圆孔受压闭合的条件158
    6.4扁椭圆裂纹模式的格里菲斯破坏准则159
    6.4.1二维扁椭圆裂纹模式的格里菲斯破坏准则159
    6.4.2裂纹表面间的摩擦效应与修正的格里菲斯破坏准则160
    6.4.3格里菲斯准则的默雷尔推广162
    6.5用向圆保角变换方法解扁椭圆孔问题164
    6.5.1向圆保角变换方法的基本步骤164
    6.5.2平面上的克罗索夫公式及边界条件的坐标变换165
    6.5.3孔口问题167
    6.5.4用向圆保角变换方法求解椭圆孔问题169
    第7章受压裂纹周围的应力场174
    7.1扰动应力、背景应力与绝对应力174
    7.1.1叠加原理的应用174
    7.1.2自由裂纹面的扰动应力函数175
    7.1.3非自由裂纹面的扰动应力176
    7.2含孔隙压力的Ⅰ型裂纹176
    7.2.1含孔隙压力的受压Ⅰ型裂纹176
    7.2.2裂纹扰动应力场177
    7.2.3裂纹扰动位移场179
    7.2.4有孔隙压力Ⅰ型裂纹的总应力180
    7.3受单轴压的斜裂纹181
    7.3.1边界条件181
    7.3.2受单轴压(斜)Ⅱ型裂纹的扰动位移场186
    7.3.3受单轴压Ⅱ型裂纹周围的总(绝对)应力187
    7.4叠加单轴压的Ⅲ型裂纹189
    7.4.1边界条件189
    7.4.2Ⅲ型裂纹的扰动应力场190
    7.4.3受压Ⅲ型裂纹的扰动位移场191
    7.4.4受压Ⅲ型裂纹周围的总应力场191
    第8章受压裂纹扩展的实验研究193
    8.1单轴压力下裂纹扩展实验原理193
    8.1.1实验条件193
    8.1.2裂纹扩展的条件195
    8.2单轴压力下裂纹或切口扩展实验研究196
    8.2.1实验的设计196
    8.2.2裂纹的预制197
    8.2.3受压闭合裂纹的扩展特征198
    8.2.4受压切口的扩展199
    8.2.5初始破裂的监测199
    8.2.6破裂过程的稳定性200
    8.2.7裂纹面相互作用的不均匀性200
    8.2.8摩擦系数f对抗脆断能力的影响201
    8.2.9裂纹扩展起始的应力条件202
    8.2.10有机玻璃板中心裂纹在单轴压力下的破裂203
    8.3用非自相似内聚带理论拟合翼状破裂扩展途径204
    8.3.1计算方法204
    8.3.2计算结果206
    8.4单轴压力下的断裂角实验结果分析207
    8.5受单轴压切口破裂实验结果的分析210
    8.6高围压下的断裂实验211
    8.6.1实验原理211
    8.6.2实验技术与方法213
    8.6.3实验结果216
    8.7差应力下岩石的体积膨胀217
    8.8含切口岩石的破裂过程可见光透视观察219
    8.8.1大理石薄板可见光透视方法219
    8.8.2单一的中心穿透切口220
    8.9岩石破裂透视实验结果的理论分析222
    8.10利用巴西圆盘试验测定岩石的抗拉强度223
    8.10.1引言223
    8.10.2巴西圆盘内各点应力解析解224
    8.10.3巴西圆盘内部的应力状态分布227
    第9章共线裂纹系的理论与实验研究229
    9.1基本概念229
    9.2受拉共线斜裂纹问题的理论解229
    9.2.1基本解229
    9.2.2应力强度因子232
    9.2.3裂纹内间距对裂纹之间相互关系的影响233
    9.3受压共线斜裂纹问题的理论解234
    9.3.1基本解234
    9.3.2应力强度因子243
    9.4受单轴压共线斜剪切裂纹扩展的实验研究244
    9.4.1实验原理244
    9.4.2单轴压力下的实验结果244
    9.5用非直线内聚带理论模拟受压共线斜裂纹破裂扩展途径246
    9.5.1受压共线斜裂纹破裂扩展途径的计算246
    9.5.2内端部翼状破裂的止裂247
    第10章裂纹系的数值模拟与实验研究248
    10.1引言248
    10.2加权残值法理论介绍248
    10.3边界元方法250
    10.3.1边界积分方程的基本解250
    10.3.2断裂力学中的边界元方法252
    10.3.3裂纹端部应力奇异性问题254
    10.4全裂纹面COD方法求解应力强度因子254
    10.4.1算法的引入254
    10.4.2全裂纹面COD求SIF的算法及误差分析256
    10.4.3计算结果与算法验证258
    10.5用全裂纹面COD方法进行二维双裂纹的数值模拟和实验结果260
    10.5.1试函数的建立260
    10.5.2双平面平行剪切裂纹的几何参数261
    10.5.3共线剪切裂纹261
    10.5.4顺向(张性)雁列式裂纹系262
    10.5.5逆向(压性)雁列式裂纹系266
    10.5.6等号裂纹系268
    10.5.7对称的共轭(八字形)裂纹系270
    10.5.8含障碍裂纹271
    10.6有限元方法273
    10.7离散元模型介绍275
    第11章三维脆性破裂278
    11.1引言278
    11.2研究史的回顾278
    11.2.1若干三维破裂实验278
    11.2.2初始破裂曲面的弥合281
    11.3受压表面裂纹的三维破裂实验282
    11.3.1实验设计282
    11.3.2实验原理282
    11.3.3玻璃样品的实验现象284
    11.3.4实验结果分析285
    11.3.5大理岩板非穿透(表面)切口的三维破裂286
    11.4三维初始破裂的理论拟合———第一主微分面集合法287
    11.4.1依据和要点287
    11.4.2CFPDP法的操作步骤287
    11.4.3CFPDP法成立的关键290
    11.5CFPDP方法得到的若干理论拟合结果291
    11.5.1纯Ⅲ型(反平面剪切)裂纹291
    11.5.2ⅠGⅢ复合型裂纹294
    11.5.3ⅡGⅢ复合型裂纹295
    11.5.4ⅠGⅡ复合型裂纹296
    11.6印痕器接触破裂问题297
    11.7受均匀剪切椭圆裂纹破裂问题302
    11.8三维初始破裂拟合的极值法303
    11.8.1用三欧拉角(3EA)搜索σN的极大值303
    11.8.2法向矢量极值法306
    11.8.3三种方法的等效性308
    11.9张应力判据的临界KG曲面309
    11.10三维破裂的多重性与分形结构312
    11.11野外拍摄到的现场岩石三维破裂313
    第12章岩石的剪切破坏318
    12.1引言318
    12.1.1基本概念318
    12.1.2对照实验319
    12.2围压效应理论的再研究320
    12.2.1p/τ的差异对于翼状张破裂止裂点的影响320
    12.2.2p/τ的差异对于剪切破坏发生的作用322
    12.2.3剪切破坏围压条件小结326
    12.2.4剪切破坏的动力方程327
    12.2.5剪切破坏KⅡc值的计算328
    12.2.6小结329
    12.3岩石中的共线剪切裂纹互锁效应330
    12.3.1受单轴压岩石中共线斜切口的破坏实验330
    12.3.2剪切破坏互锁机制的理论模型331
    12.3.3p/τ>cos2β情况332
    12.3.40≤p/τ≤cos2β的情况333
    12.3.5p/τ<0(拉张)的情况333
    12.3.6互锁机制下的p/τ值上下限334
    12.3.7小结334
    12.4考虑颗粒破碎的高孔隙岩石剪切变形的离散元模型335
    12.5在震源力学中的应用336
    12.5.1地震剪切破坏发生的深度336
    12.5.2岩石抗剪切破坏强度的估计337
    12.5.3多断层模型在震源物理中的应用337
    12.5.4翼状Ⅰ型破裂的尺度估计338
    12.5.5摩擦面上颗粒破碎的产生及其对剪切破坏的意义339
    12.5.6岩石剪切破坏的其他条件340
    12.5.7非脆性剪切错动340
    第13章不同距离力源作用下脆性破裂的稳定性和止裂341
    13.1引言341
    13.2裂纹扩展的稳定性、止裂条件和止裂准则341
    13.2.1失稳扩展与稳定扩展341
    13.2.2止裂条件与止裂准则342
    13.2.3最小止裂方程343
    13.3集中力或力偶343
    13.3.1一对集中力对称地作用于裂纹面中垂线上的点(0,±y0)344
    13.3.2一对集中力偶对称地作用于裂纹面中垂线上的点(0,±y0)346
    13.3.3集中力作用于关于x轴对称的两个点(x0,±y0)347
    13.3.4相等的集中力及力偶作用于裂纹上下表面的对应点上349
    13.3.5裂纹表面上作用对称于x,y轴的集中力351
    13.4分布力或力偶352
    13.4.1失稳点估计的等效点力方法353
    13.4.2载荷连续分布在裂纹所在平面上353
    13.4.3无限远处分布力范围为无限大的情况356
    13.5讨论356
    第14章用声学方法研究岩石的破裂358
    14.1基本概念358
    14.2声发射定位359
    14.2.1圆柱状Westerly花岗岩小样品的声发射定位359
    14.2.2米级大样本岩石破裂AE定位361
    14.2.3AE事件密集度和密集中心362
    14.2.4声发射频次的变化363
    14.3含典型构造岩石样品声发射实验364
    14.4声发射的Kaiser效应和Felicity效应368
    14.4.1Kaiser效应368
    14.4.2Kaiser效应的机理分析369
    14.4.3Felicity效应369
    14.4.4Felicity效应的实验结果370
    14.4.5Felicity效应实验结果分析371
    14.4.6Felicity效应的机理分析371
    14.5不变载荷与卸载条件下的声发射371
    14.5.1载荷保持不变时的声发射371
    14.5.2卸载时的声发射372
    14.5.3卸载时声发射的机理分析373
    14.6声发射序列的能级和事件数量关系———b值374
    14.6.1声发射序列b值与地震序列b值的相似性374
    14.6.2声发射序列b值的实验研究375
    14.6.3b值的分形意义379
    14.7岩石破裂前的低频辐射381
    14.7.1概述381
    14.7.2低频波的产生与接收381
    14.7.3讨论385
    14.8波速和波速比386
    14.8.1实验观测386
    14.8.2地震前的表现388
    14.9介质的各向异性390
    14.9.1基本概念390
    14.9.2实验条件391
    14.9.3实验方法392
    14.9.4实验观测393
    14.9.5结果(快慢S波时间延迟Δt与载荷P的对应关系)394
    14.9.6分析395
    14.9.7讨论395
    第15章流体的作用397
    15.1引言397
    15.2孔隙率、渗透率和通过孔隙介质流体的流动397
    15.2.1孔隙率397
    15.2.2通过孔隙介质流体的流动398
    15.3水岩相互作用的应力效应399
    15.3.1应力腐蚀399
    15.3.2压溶作用400
    15.4孔隙压力的作用400
    15.4.1孔隙压力400
    15.4.2库仑莫尔准则401
    15.4.3存在孔隙压力p0时的拜尔利定律403
    15.5水压致裂404
    15.6地球深部流体的存在和超临界流体的性质405
    15.6.1地球深部流体存在的证据405
    15.6.2地球深部流体孔隙压力405
    15.6.3地壳深部岩体孔隙是否闭合407
    15.6.4超临界流体的存在与性质408
    15.7流体在地震与断层活动中的作用411
    15.7.1流体在地震断层中的存在411
    15.7.2地震断层中水的存在形态和变化411
    15.7.3地震的超远程触发作用及其与流体的关系413
    15.7.4流体作用在震源运动中的表示414
    15.8流体参与矿山地震震源过程的证据415
    15.8.1基本概念415
    15.8.2瓦斯突出与冲击地压关系的已有研究415
    15.8.3抚顺老虎台煤矿的观测资料及分析416
    15.8.4阜新孙家湾煤矿的记录分析417
    15.8.5矿山地震可能与流体有关419
    第16章具有滑动弱化断层的库仑应力变化420
    16.1基本概念420
    16.2伏尔泰拉位错模型421
    16.3线弹性断裂力学模型424
    16.4滑动弱化模式428
    16.4.1内聚力的引入428
    16.4.2应力降线性分布的例子431
    16.4.3c→0的极限情况435
    16.4.4小尺度滑动弱化区的情况436
    16.4.5破裂所在平面上扰动应力的分布与ε=c/a的关系437
    16.4.6破裂停止后最终应力降产生的库仑应力变化437
    16.5库仑应力变化能否触发远场的下一次地震439
    16.5.1三种模型的对比439
    16.5.2触发下一次地震需要多大的力440
    16.5.3所谓常数只有字面上的意义440
    16.5.4远场触发的机理可能并不唯一440
    16.5.5库仑应力变化对近场的作用441
    16.5.6体力的作用不应忽视441
    第17章岩石断裂力学在震源物理中的应用443
    17.1引言443
    17.2地震断层在地面的出露443
    17.2.1走滑型断层444
    17.2.2倾滑型(正)断层447
    17.2.3逆断裂449
    17.2.4汶川地震与芦山地震450
    17.3由微破裂成核理论导出的推论及应用454
    17.3.1介质各向异性的EDA模型454
    17.3.2地震的多重事件454
    17.3.3构造物理455
    17.4地震孕育的膨胀模式455
    17.4.1膨胀模式的观测依据456
    17.4.2干模式(IPE模式)456
    17.4.3湿模式(DD模式)456
    17.4.4地震破裂成核的基本含义457
    17.5摩擦准则458
    17.5.1滑动弱化模式458
    17.5.2滑动弱化模型与内聚力模型459
    17.5.3受压闭合裂纹J积分的修正460
    17.5.4剪切断裂能461
    17.5.5更普遍的情况462
    17.5.6速率弱化摩擦准则463
    17.5.7摩擦本构关系与地震成核模型463
    17.5.8地震破裂的模式464
    17.6地震断层快速形变导致的局部温升和岩石熔融465
    17.7地震孕育过程的流变模式467
    17.8岩石断裂力学在矿山地震学中的应用471
    17.8.1矿震成因不完全取决于断层472
    17.8.2诱发应力和矿震的诱发473
    17.8.3矿震前亚临界扩展激发的长周期波475
    17.8.43次破坏性矿震事件的记录475
    17.8.56号台近场记录高低频叠加现象的物理解释476
    17.8.6震前短临阶段的震源过程478
    17.9关于断层破裂与地震成因的讨论479
    17.9.1应正确评估断层在地震成因中的作用479
    17.9.2体力作用与载荷的变化480
    17.10地震破裂动力学简介481
    17.10.1地震破裂动力学的内容和发展481
    17.10.2破裂判据483
    17.10.3地震断层的破裂速度极限484
    17.10.4止裂条件488
    参考文献489
    附录Ⅰ弹性力学的基本知识和常用公式504
    附录Ⅱ单位及单位换算515
    附录Ⅲ若干种岩石强度的试验数据521
    索引523
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