孔洞尺寸效应对岩石单轴压缩力学强度及破坏特征影响试验研究

发布时间：2019-09-12 02:41

【摘要】：为了研究孔洞尺寸效应对岩石力学强度的影响,利用岩石伺服压力机对含不同孔洞直径的岩石进行单轴压缩,并通过高速摄像机记录其破坏特征及裂纹扩展过程,从裂纹扩展角度阐述强度弱化机理。研究表明:(1)随着孔洞直径的增大,其抗压强度随之而减小,但降低速率逐渐减小;(2)起裂裂纹类型控制脱落面积,进而影响岩石宏观力学强度;(3)孔洞直径为6 mm、8 mm试样起裂裂纹为反向拉伸裂纹,反向拉伸裂纹扩展很短;孔洞直径为10 mm、12 mm试样起裂裂纹为正向拉伸裂纹,最终贯穿试验边界的均为正向拉伸裂纹。
【图文】：

岩石的破坏平均峰值强度为54MPa，相对于孔洞直径为0mm(即完整岩样平均峰值强度为65MPa)的岩石强度下降明显，降幅为17%;孔洞直径为8mm岩石的破坏平均峰值强度为43MPa，下降更为明显，降幅为34%;孔洞直径为10mm岩石的破坏平均峰值强度为39MPa，下降明显，降幅为40%;孔洞直径为12mm岩石的破坏平均峰值强度为37MPa，下降明显，降幅为43%。从孔洞直径与岩石平均峰值强度降低程度分析来看，孔洞尺寸对岩样强度影响较大，且随着尺寸的增大，岩样平均峰值强度降低幅度较大，影响较为明显。图1应力－应变曲线如图2所示，岩石随着孔洞直径增大，岩石抗压强度呈现出逐渐降低的规律特性，在孔洞直径≤8mm时，抗压强度降低较为明显;在孔洞直径为10、12mm工况时，抗压强度相对于孔洞直径为8mm时岩石的抗压强度降低幅度仅为7%和3%。图2抗压强度随孔洞直径降幅折线如图3所示，借助于数学分析软件Origin，得到孔洞直径与峰值应力关系拟合曲线:y=－2.495x+65.56，Ｒ2=0.957，说明岩石抗压强度与孔洞直径之间具有良好的线性关系，可以得出:随着孔洞直径的增大，砂岩岩样单轴抗压强度均出现衰减现象，且呈线性变化。2.2弹性模量分析本文岩样弹性模量数据基于应力－应变全过程曲线得出，具体做法是:在应力－应变全过程曲线上，选用达到峰值应力前近似直线段的数据进行线性拟合。图4为不同孔洞直径试样的弹性模量直方图。由图4可见，随着孔洞直径的增大，试样的弹性模量呈现先降低后升高的变化规律，即由完整岩样的9.77GPa图3孔洞直径与抗压强度拟合曲线降低至7.08GPa(孔洞直径为6mm);但孔洞直径为8mm时，弹性模量升高至8.97GPa;然而，随着孔洞直径从8mm开始增大时，弹性模量逐渐降低，当孔洞直径为10mm时，其值为8.5

岩石的破坏平均峰值强度为54MPa，相对于孔洞直径为0mm(即完整岩样平均峰值强度为65MPa)的岩石强度下降明显，降幅为17%;孔洞直径为8mm岩石的破坏平均峰值强度为43MPa，下降更为明显，降幅为34%;孔洞直径为10mm岩石的破坏平均峰值强度为39MPa，下降明显，降幅为40%;孔洞直径为12mm岩石的破坏平均峰值强度为37MPa，下降明显，降幅为43%。从孔洞直径与岩石平均峰值强度降低程度分析来看，孔洞尺寸对岩样强度影响较大，且随着尺寸的增大，岩样平均峰值强度降低幅度较大，影响较为明显。图1应力－应变曲线如图2所示，岩石随着孔洞直径增大，岩石抗压强度呈现出逐渐降低的规律特性，在孔洞直径≤8mm时，抗压强度降低较为明显;在孔洞直径为10、12mm工况时，抗压强度相对于孔洞直径为8mm时岩石的抗压强度降低幅度仅为7%和3%。图2抗压强度随孔洞直径降幅折线如图3所示，借助于数学分析软件Origin，得到孔洞直径与峰值应力关系拟合曲线:y=－2.495x+65.56，Ｒ2=0.957，说明岩石抗压强度与孔洞直径之间具有良好的线性关系，可以得出:随着孔洞直径的增大，砂岩岩样单轴抗压强度均出现衰减现象，且呈线性变化。2.2弹性模量分析本文岩样弹性模量数据基于应力－应变全过程曲线得出，具体做法是:在应力－应变全过程曲线上，选用达到峰值应力前近似直线段的数据进行线性拟合。图4为不同孔洞直径试样的弹性模量直方图。由图4可见，随着孔洞直径的增大，试样的弹性模量呈现先降低后升高的变化规律，即由完整岩样的9.77GPa图3孔洞直径与抗压强度拟合曲线降低至7.08GPa(孔洞直径为6mm);但孔洞直径为8mm时，弹性模量升高至8.97GPa;然而，，随着孔洞直径从8mm开始增大时，弹性模量逐渐降低，当孔洞直径为10mm时，其值为8.5
【作者单位】： 河北建筑工程学院土木工程学院;中铁二院工程集团有限公司科学技术研究院;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室;水利部牧区水利科学研究所;
【基金】：国家自然基金青年基金(51404266) 河北省教育厅科技青年基金(QN2016066) 张家口市科学技术和地震局指令项目(No.1611061A) 河北建筑工程学院校级基金(B-201602) 中国中铁重点科研课题(2016-重点-27)
【分类号】：TU45

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本文编号：2534845