循环加卸载作用下大理岩变形特征及损伤度表征

发布时间：2020-10-10 09:54

　　为研究循环荷载作用下大理岩的力学变形特性、裂隙体变、扩容特性和劣化损伤规律,采用电液伺服三轴试验系统进行了不同围压下大理岩的分级和常幅循环加卸载试验,论文主要研究工作包括分级循环加卸载试验研究、常幅循环加卸载试验研究和损伤变量的讨论三个方面:(一)分级循环加卸载试验研究(1)从大理岩分级循环加卸载试验的应力应变曲线入手,分析了大理岩相关力学变形性质。随循环次数增加,大理岩平均弹性模量先快速增大后逐渐减小;泊松比先缓慢增加后快速增大,由0.2左右增大至0.5左右。将每次加载总体变和裂隙体变从全曲线中分离出来,发现随着循环次数增加出现裂隙闭合阈值、裂隙萌生阈值和裂隙发展阈值几乎重合的新现象。随围压增加,峰值应力时刻弹性体变在总体变中所占比例越来越小,裂隙体变占比越来越大。相对于单调加载,循环加卸载使大理岩产生更多不可恢复的次生裂隙。(2)对比不同围压下常规加载和循环加卸载试验大理岩剪胀角和扩容指数。发现围压较小时,单调加载和循环加载试验大理岩扩容指数相差不大;围压较大时,循环荷载作用下大理岩的扩容指数远大于单调加载,同时其破坏模式由单调加载试验下的剪切破坏转变为循环加卸载试验下的鼓状剪胀破坏。对常规加载试验的扩容指数拟合公式进行改造得到符合循环加卸载试验的拟合公式。(3)将每次加卸载曲线的滞回环提取出来并计算其能量耗散,发现随着循环应力上限的提高滞回环形状由细长柳叶形转变为饱满的梭子型,滞回环的能量耗散量、耗散速率和耗散率随着应力上限的提高先缓慢增加后快速增加。(二)常幅循环加卸载试验研究(1)由试验统计出各组常幅循环加卸载试验大理岩的残余轴向应变、残余体积应变、平均弹性模量和泊松比的数据,研究其随循环次数的变化规律。在不同的围压和应力比的作用下,大理岩的残余轴向应变和残余体积应变随着循环次数的增加呈现相似的变化趋势,且变化趋势随岩样的损伤程度变化呈现两种不同的规律:1)在循环中发生破坏的大理岩样,其残余轴向应变和残余体积应变随着循环次数的增加最初快速增加后缓慢增加最后快速增加;2)在循环中未破坏的岩样,其残余轴向应变和残余体积应变随着循环次数的增加最初快速增加后逐渐趋缓并保持稳定。大理岩在不同围压下和应力比循环试验下大理岩的平均弹性模量和泊松比随循环次数的变化规律也呈现相似的规律,且随试验中大理岩的损伤程度呈现两种不同的变化规律:1)在循环过程中发生破坏的大理岩样,平均弹性模量随着循环次数的增加先增大后逐渐较小,泊松比随着循环次数的增加最初快速增加后逐渐趋缓最后快速增加;2)在循环过程中未发生破坏的大理岩样,平均弹性模量随着循环次数的增加最初快速增加后逐渐趋缓,泊松比随着循环次数的增加最初快速增加后逐渐趋缓并保持稳定。(2)在单次加载过程中,大理岩的轴向应变速率随着轴向应变和应力的增加均呈现最初逐渐减小并保持相对稳定后逐渐增加的扁“u”型变化规律。通过对比发现大理岩每次加载初始段的轴向应变速率可以反映大理岩的劣化过程。(3)统计出每组试验大理岩每次加载初始阶段的轴向应变速率,发现在循环过程中发生破坏和未发生破坏的大理样加载初始阶段的轴向应变速率随着循环次数的增加均呈现两种不同的变化规律。破坏的岩样:1)围压较低应力比较高时其随循环次数的增加先减小后快速增加;2)围压和应力比相对较低时,其随着循环次数的增加最初减小后逐渐增加并趋缓最后快速增加。未破坏的岩样:1)随着循环次数的增加最初减小后逐渐增加并保持稳定;2)随着循环次数的增加最初减小后快速增加后又逐渐减小并保持相对稳定。(三)损伤变量的讨论(1)分析了现有损伤变量计算损伤度时存在的不足,定义了新的损伤变量计算方法,结合分级循环加卸载试验和常幅循环加卸载试验验证了重新定义的损伤变量的实用性和优越性。(2)发现单调加载发生破坏的岩样、循环过程中未发生破坏最终增加轴向应力压坏的岩样和循环很少次数就破坏的大理岩样的破坏模式均为剪切破坏模式,此类岩样的损伤变量均小于1,其中循环过程中发生破坏的大理岩样剪切面之间的粉末状颗粒最多,单调加载直到破坏的岩样剪切面之间的颗粒物最少。循环较多次数发生破坏的大理岩样的破坏模式均为“X”型破坏模式,且存在大量的碎块和颗粒状粉末,其损伤变量均大于1。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

岩石,荷载作用,绪论,工程

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 问题的提出随着一带一路计划的实施，我国的经济建设进入了一个新的阶段，高速铁路公路工程、水利水电工程、矿山巷道和高边坡开挖工程及隧道和地下工程等日益增多，同时近年来备受瞩目的高放射性废料处置[1-4]、增强型地热系统开发[5-7]、地下能源储库[8-10]等新兴大型地下工程也逐渐开展。这些工程的建设过程实质上也就是岩石承受反复荷载的过程[11, 12]，在这些工程中很多是我们未曾做过的大型和超大型工程，给我们的生产工作带来了新的机遇和挑战，同时面临的岩石（体）工程复杂问题日趋增多，暴露了很多岩石（体）力学未曾研究到的一些问题。

控制系统图,控制系统,岩样,岩石试样

（a）伺服控制柜 (b) 计算机界面图 2.3 三轴试验机控制系统2.3 岩样加工及安装岩石试样的质量是决定试验效果的关键因素之一，本研究所用岩样均选用取自广西的白色粗晶粒大理岩，为了保证岩样的均匀一致性，避免产生离散现象，每次试验所用的岩样尽量选自同一块岩石上采下来的岩块，且据肉眼观察，选择颜色一致，质地均匀，无杂质，少裂隙，完整性和均匀性较好的岩块。岩石试样从岩石本身的选材到岩石标准式样的制备需要有一个标准化的流程和标准，这样才能保证试样的差异性在允许的范围内。为保证岩石试样的质量，要经过钻、切、磨三道工序，涉及的相关器材主要有钻芯机、切石机和磨平机分别如图 2.4、2.5 和 2.6 所示。

取芯机

伺服控制柜 (b) 计算机界面图 2.3 三轴试验机控制系统样加工及安装试样的质量是决定试验效果的关键因素之一，本研究所用岩的白色粗晶粒大理岩，为了保证岩样的均匀一致性，避免产试验所用的岩样尽量选自同一块岩石上采下来的岩块，且据一致，质地均匀，无杂质，少裂隙，完整性和均匀性较好的试样从岩石本身的选材到岩石标准式样的制备需要有一个标，这样才能保证试样的差异性在允许的范围内。为保证岩石过钻、切、磨三道工序，涉及的相关器材主要有钻芯机、切如图 2.4、2.5 和 2.6 所示。