单调和循环压缩条件下花岗岩力学特性与声发射规律研究

发布时间：2020-04-08 14:13

【摘要】：循环荷载作用下岩石的力学性能涉及到地铁、隧道等地下工程的施工、边坡岩体的开挖加固、地下硐室的多次爆破开挖以及煤矿工作面的开采施工等多个领域。目前,有关岩石在循环荷载作用下的损伤演化规律,并结合声发射检测技术的研究仍然较少。本文基于岩石力学理论,进行了室内试验,并结合数值模拟技术,开展的工作和所得出的主要结论如下:首先,采用材料试验机MTS815对花岗岩试样开展了单轴和常规三轴压缩实验,研究了华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律,结果表明:此花岗岩表现出明显的脆性特征,在三轴下轴向应力-应变曲线的“上凹”现象相比于单轴变得不明显;花岗岩的弹性模量和峰值应变随着围压的增大而不断增大;单轴下岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能,劈裂破坏特征明显,而三轴下岩样耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大,表现为整体剪切破坏;且吸收能、耗散能及储能极限均与围压间存在着良好的线性关系。接着,开展了单轴和三轴循环加卸载试验。探讨了花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形、声发射特征以及损伤特性,结果表明:三轴循环压缩下应力-轴向应变曲线滞回环的“迁移”现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;前五次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下则并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。基于塑性应变与能量耗散定义得到损伤参数的结果较为吻合。最后,采用RFPA~(2D)(Realistic Failure Process Analysis 2D)软件进行了花岗岩单轴与三轴单调压缩及单轴循环压缩试验过程的数值模拟。结果表明:试样在单轴单调压缩下发生最终破裂时,表现为拉伸型声发射,对锥形破坏特征明显;三轴压缩模拟中,试样破裂模式随着围压的增加逐渐由张拉破坏向压剪破坏过渡,声发射类型也从拉伸型声发射向压剪型声发射转变;单轴循环载荷下试样表现为轴向劈裂破坏,声发射类型为拉伸型声发射。数值模拟能较好地再现室内试验中岩石的Kaiser效应和破坏特征,且不同围压下模拟得到的应力-应变曲线与试验曲线具有较高的吻合度,但弹性模量和峰值应力计算值要略低于室内试验结果。
【图文】：

技术路线图

高 100mm 的圆柱体试样（如图2.1 所示），其端面不平行度控制在 0.05mm 以内，，在试样整个高度上直径误差不超过 0.3mm。利用中岩科技有限公司生产的 RSM-SYS5 超声检测分析仪（图 2.2）对自然状态下的试样进行波速密度测试，纵波波速在 3846~4255m/s 之间，如图 2.3 所示。图 2.1 加工完成的花岗岩试样Fig 2.1 Photo of granite samples图 2.2 超声检测分析仪Fig 2.2 Ultrasonic inspection analyzer
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU45

【参考文献】

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本文编号：2619447