三轴压缩荷载作用下岩石时效特征研究

发布时间：2020-11-11 04:05

　　 在采矿和隧道等地下工程中,当围岩体所受荷载超过其本身的承载能力时会发生破坏,进而影响工程施工及应用的安全性。岩体发生失稳破坏并不是突发性的,而是随时间推移逐渐发生劣化的渐进性破坏过程,表现出明显的时效特征。因此关于岩石时效特征的研究,对实际工程的设计施工及长期稳定性具有重要意义。基于这一工程背景,本文利用自主研发的可视化三轴压缩伺服控制试验系统,以多种类型岩石为研究对象,开展了三轴压缩荷载作用下岩石的渐进性破坏试验、荷载速率依存性试验及广义应力松弛系列试验,分析了岩石力学性质随荷载作用时间劣化特征及不同试验条件对其的影响,探讨了岩石时效特征的相关机制。基于上述研究,本文主要研究成果如下:1)研发了可视化三轴压缩伺服控制试验系统,构建了含多组采集单元的三维数字图像处理系统,实现了三轴压缩荷载作用下岩石变形破坏过程的可视化观测和表面应变场的测量,为开展岩石变形破坏演化特征和力学机制研究提供了一种先进的试验手段。2)开展了不同围压、不同含水率和不同岩性条件下岩石的渐进性破坏过程试验研究,分析了不同试验条件下岩石的全应力-应变曲线演化特征,明确了不同影响因素下岩石宏观力学特征参数演化规律,研究了岩石变形破坏过程中的能量机制,阐明了岩石表面应变场演化特征,提出了局部化变形启动应力水平的方法,并分析了该启动应力水平随围压和含水率变化关系。3)采用交替加载试验方法,开展了不同围压和含水状态条件下四类岩石的荷载速率依存性试验,重点研究了峰值强度及破坏后区的荷载速率依存性,结合循环加卸载试验,提出了破坏后区荷载速率依存性指标并进行了量化表征,采用本构方程计算验证了试验结果;阐明了峰值强度和破坏后区荷载速率依存性之间的关系,对比分析了围压和含水状态对岩石荷载速率依存性的影响,并对其相关机理进行了探讨。4)采用元件模型对广义应力松弛现象及其方向系数进行了解释,基于应力归还控制方法,开展了不同方向系数、不同围压和不同应力水平条件下岩石的广义应力松弛试验,分析了不同试验条件对岩石广义应力松弛特性演化特征及其力学参数演化规律的影响,阐述了广义应力松弛特性相关机制,获得了广义应力松弛全程曲线并对其进行了阶段划分,探讨了广义应力松弛破坏时间与方向系数、围压及应力水平之间的关系,基于理论分析探讨了岩石时效特征不同方面的相关性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

发岩爆等地质灾害，对工程的安全施工和管理造成严重威胁[63]。石的荷载速率依存性又称为荷载速率效应[64]、率相关性[42]、加载速是岩石时效特征研究中的重要部分。实际工程中，荷载速率的变化对不同工程问题考虑的试验荷载速率不同，而加载方式不同，岩石能会有较大差异。在钻孔、爆破、水力压裂、地震滑坡等状态下荷材料的破裂机制影响很大，不同荷载速率条件下岩石材料的力学效岩石时效特征研究的本质和核心的内容之一。基于荷载速率的不同受力状态划分为流变、静态、动态效应研究。目前根据试验荷载速态加载、准动态加载、动态加载阶段的划分尚存在一定的争议。例等[66]的研究，将应变速率小于 5×10-4/s 划分为岩石的静态加载，将应×10-4/s 和 102/s 之间划分为准动态阶段。而根据周维恒等[67]的定义，于 10-4~10-6/s 时认为是静态加载，应变速率高于 10-4时为动态加载。为当应变速率大于 102/s 时为动态加载阶段，如爆炸冲击、霍普金森速率小于 10-7/s 时可看做是流变状态，如图 1.1 所示。

的改进和完善，成功开展了饱水岩石的直接拉伸试容可知，目前关于岩石的荷载速率依存性研究多参数方面，而关于岩石破坏后区荷载速率依存性体工程中，由于开挖施工的扰动作用，处于破坏道开挖以后，破坏了岩体的原始应力平衡状态，围岩松动圈[116]。根据岩石的全应力-应变曲线，可，如图 1.2 所示。区域 1 为岩石峰值强度之前的弹影响的原岩应力区；区域 2 为损伤扩容阶段，在和扩展；区域 3 为峰值强度之后的滑移变形阶段 为无侧向约束的塑性流动阶段，该阶段应力水平，若存在支护结构，则能够有效提高处于该阶段岩下，地下工程的围岩体剥落、破坏或岩爆等现象区域。因此，对岩石破坏后区的荷载速率依存性。

2 可视化三轴压缩伺服控制试验系统构建轴压缩荷载试验是研究岩石力学的重要的手段，岩石在围学性质更能较完整的模拟岩体在实际地应力条件的力学性施工的重要依据。关于岩石三轴压缩试验研究的成果已经三轴压缩试验设备的压力室大部分采用金属材料制作，虽件下的力学实验，但无法观察到岩石试样在荷载作用下变者所在课题组的协助下，研发了可视化三轴压缩伺服控制石试样从加载到破坏的实时观察和数据采集[251]。可视化统能够实现岩石的单轴压缩、常规三轴压缩、循环加卸载、松弛及广义应力松弛等岩石力学试验。基于三轴压力室 3D-DIC 系统，采用多组三维采集元进行图像同步采集，统进行信号采集同步，实现了围压作用下岩石破坏过程252]。图 2.1 为可视化三轴压缩伺服控制试验系统原理示意
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 方建银;党发宁;肖耀庭;丁卫华;方建熙;;粉砂岩三轴压缩CT试验过程的分区定量研究[J];岩石力学与工程学报;2015年10期

2 杨永杰;邢鲁义;张仰强;马德鹏;;基于蠕变试验的石膏矿柱长期稳定性研究[J];岩石力学与工程学报;2015年10期

3 王亚;万文;赵延林;罗世林;唐劲舟;;不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究[J];河北工程大学学报(自然科学版);2015年03期

4 李鹏飞;赵星光;蔡美峰;;压缩条件下岩石启裂应力的识别方法探讨——以新疆天湖花岗闪长岩为例[J];岩土力学;2015年08期

5 尹乾;靖洪文;苏海健;朱谭谭;;高温后花岗岩断裂特性的加载速率效应研究[J];中国矿业大学学报;2015年04期

6 邵龙潭;郭晓霞;刘港;刘潇;;数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用[J];岩土力学;2015年S1期

7 赵红华;于绅坤;常艳;郭长宝;;基于双CCD相机的三轴试验三维成像测量技术[J];东北大学学报(自然科学版);2015年05期

8 梁昌玉;吴树仁;李晓;;中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩断口细–微观特征研究[J];岩石力学与工程学报;2015年S1期

9 徐小丽;陈琳;高峰;张志镇;;花岗岩的加载速率效应及能量机制研究[J];固体力学学报;2015年02期

10 康向涛;黄滚;宋真龙;邓博知;罗甲渊;张鑫;;三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究[J];岩土力学;2015年03期

相关博士学位论文 前4条

1 张海龙;岩石荷载速率依存性及其广义应力松弛特性研究[D];重庆大学;2016年

2 崔少东;岩石力学参数的时效性及非定常流变本构模型研究[D];北京交通大学;2010年

3 孟利波;数字散斑相关方法的研究和应用[D];清华大学;2005年

4 张东明;岩石变形局部化及失稳破坏的理论与实验研究[D];重庆大学;2004年

本文编号：2878717