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岩体特性尺度效应与长细比效应的研究

韩素平  
【摘要】: 尺度效应是材料科学领域普遍存在的现象,其根源于材料的非均匀性(对于岩体主要由裂隙引起)。本论文首先从不同角度对尺度效应进行了理论分析,即从概率统计角度出发,用材料内部缺陷分布规律、材料非均匀性模型、局部弱化模型等分析了尺度效应的产生机理;从能量耗散的角度出发,用耗散结构理论对岩体变形破坏的过程进行了探讨,并揭示了承载力(强度)的本质内涵。 基于上述理论认识,通过对室内不同尺度系列的井陉石灰岩单轴压缩试验和数值模拟,以及对大同、潞安的有关煤样试验,得出了尺度效应相关规律,并对岩样在单轴压缩过程中相应的物理力学现象进行了分析研究。具体研究成果如下: 井陉石灰岩单轴压缩试验: 1、几何相似不同尺度系列 (1)大尺度岩样循环加载应力-应变曲线存在较明显的回滞圈; (2)大尺度岩样裂纹的传播情况:裂纹一经出现,就不再发展,在同样循环载荷下也不至于断裂,进一步加大载荷,则开始断裂。这种情况表明岩样内部应力集中系数较高,应力梯度陡峭; (3)单轴压缩下,大尺度和小尺度岩样均产生平行于加载方向的裂隙。岩样局部点应变随表观应力的变化极其复杂,是具有随机性的变量。岩样局部点轴向应变平均值与表观应力近似呈线性关系,每个循环的斜率大致平行。横向应变平均值随表观应力的增大呈波动形增大,且在卸载过程中随表观应力的减小也呈波动形增大,只是增大的斜率小于加载过程。同一表观应力下,局部点应变与表观应变相差可达2个数量级,表明宏观上均匀的岩石是具有细观特征(细观非均匀性)的准脆性材料,其宏观力学行为是细观特征相互作用、放大的综合结果,而不是简单的叠加; (4)岩样轴向应变不均匀程度和横向应变不均匀程度随循环次数的增加渐进增大,但是在同一个循环内,横向应变离散系数随应力的变化波动较大,且同一循环级别下,横向应变不均匀程度大于轴向应变不均匀程度,表明岩石内部微裂纹的演化是岩石变形破坏的本质特征,这一演化表现为微裂纹从均匀无序分布逐渐向非均匀有序发展; (5)随循环次数的增加,所有岩样内部超声波速会出现衰减,衰减过程表现为在某几次循环内超声波速在某一相对范围内波动,然后急剧减小到某一较小值,在随后的循环内,超声波速又会保持在这一较小值附近波动,即超声波速表现为波动和急剧减小间隔形式衰减,表明从宏观看来平稳的岩石变形过程,内部结构演化过程(微裂纹发展及其相互作用)却表现为均匀量变和突发质变不断交叉进行的现象; (6)岩石强度和弹性模量随尺度增大呈指数函数规律减小。岩石强度与弹性模量呈正相关线性关系,可以认为弹性模量的增加根源于岩石材料强度的增加。岩样初始裂隙分维图线、初始超声波速与强度有一定的关系,岩石强度随波速的增大而增大。 2、截面相同不同长度系列 (1)长细比在1-3之间,柱形岩样的单轴压缩强度变化甚微,且长细比等于3的岩样强度离散性最小。长细比大于等于3以后,岩样的强度随长细比增加而减小,且离散性增大,局部弱化现象严重,稳定性变差,破坏时的脆性增大; (2)柱形岩样的弹性模量、变形模量、泊松比均随长细比的增大而增大,极限轴向应变则随长细比的增大而减小,且随长细比的增大,岩样力学参数的离散性增大; (3)对于不同种类的岩石,其强度显著降低的临界长细比不同。 数值试验:研究均质度很高和很差的两种不同尺度系列(方形和柱形)的不同方案试件(含各种裂隙)的单轴压缩特征。 (1)试件尺度、均质度、裂纹方向、单一裂纹长度、裂纹密度对试件强度都有影响。它们对强度的影响程度从大到小依次排列为:均质度,裂纹密度,裂纹方向,单一裂纹长度和试件尺度。由此可见,工程实际中通常出现的岩体尺度效应更多的时候表现为岩体的结构效应; (2)对于同一均质度试件,随尺度增大,试件破坏时出现的主控破裂面越明显,破断区越集中,越接近于均匀材料的脆性破坏。随尺度减小,试件破坏形式趋于复杂,破裂面不唯一,破损区域越分散,越接近于非均匀材料的准脆性破坏。但对于不同均质度,试件破坏形态发生变化的尺度也不同; (3)对于均质度较高的含裂纹试件,试件的破坏形态主要受裂纹控制,而对于均质度较差的含裂纹试件,试件的破坏形态由试件材料的非均匀性和裂纹共同控制; (4)均质度较高的试件,破坏前,试件内不出现声发射,破坏瞬间,声发射在某些部位同时出现,且随尺度增大,试件声发射能量增大,声发射区趋于集中。均质度较差的试件,在加载初期就有少量声发射在试件内随机均匀出现,整个加载过程中,声发射一直存在,且随加载的进行,声发射能量逐渐增大,声发射区趋向于集中在某部位。无论均质度如何,所有试件达峰值破坏时,声发射能量均呈现加速释放态势; (5)无论方形还是柱形试件,均质度较好时,试件峰值前应力与加载步近乎重合,表现明显的线性,峰值后应力急跌,表现明显的脆性。均质度较差时,试件峰值前应力与加载步表现出非线性行为,峰值后,应力随试件尺度(柱形试件为长度)的减小而跌落减缓。 上述研究成果得出总的结论:岩体尺度效应实质上是岩体结构效应的外在表现,由此创新地提出了尺度效应的表达式,并给出了其参数确定的一般规律。经工程实例应用,实证该表达式物理概念明确,参数确定简单,工程应用方便。


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