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岩石材料损伤—断裂转换实验研究

张金浩  
【摘要】:岩石材料的损伤与断裂破坏是一个初始缺陷的演化、宏观裂纹的产生及扩展、材料宏观断裂破坏的连续变化过程。采用水泥砂浆试件模拟岩石材料作为研究对象,将试件分为有裂隙和无裂隙(完整)两种,分别进行单轴压缩实验,得到了试件受力时的相关力学参数。在加载过程中,采用超声仪测量试件受力时的波形和波速,获得了波形和波速随加载过程的变化规律,系统性的研究了岩石材料的损伤与断裂破坏特性,本文取得研究成果如下:(1)用砂浆裂隙试件模拟含裂隙岩石进行单轴压缩实验,获得了三种倾角45o、60o、75o的三种裂隙长度45mm、60mm、75mm下9种试验工况的不同裂隙长度、倾角试件的初裂隙扩展角度和初裂强度,并分析了不同工况下的受压破坏机理。实验结果表明:当裂隙长度相同时,初裂强度随倾角的增加而增加,且倾角由60°增加到75°,初裂强度增加得更快。当裂隙倾角一定时,初裂强度随裂隙长度的增加而降低。根据单轴压缩实验测量了含裂隙试件扩展时的裂隙扩展角,分析了裂隙扩展角与裂隙倾角、长度的关系。实验结果表明:当裂隙长度一定时,裂隙扩展角随裂隙倾角的增大而减小。当裂隙倾角一定时,裂隙扩展角随裂隙长度的增加而没有明显的变化趋势,说明裂隙扩展角与裂隙长度的大小无关。应用最大周向正应力理论分析了含裂隙试件的受压破坏机理,获得了裂隙扩展角理论表达式;通过比较可知:裂隙扩展角的实测值和理论值基本吻合。(2)通过对含裂隙试件进行单轴压缩荷载实验,加载到每一级荷载时,利用超声仪对6个测点进行超声波的波形和波速的采集,获得了每个侧点的波形图和波速值。实测结果表明:在预制裂隙尖端没有出现扩展裂纹之前,只有布置在预制裂隙两测的测点1#和4#继续发生异常变化,其余测点的波形几乎不发生异变;继续加载到达预制裂隙尖端出现扩展裂纹,各个测点的波形都出现了不规则的变化;在裂纹扩展阶段,裂纹随荷载的施加继续迅速变形增大,各个测点的波形也会随着裂纹的扩展发生明显的差异;当裂纹贯通整个试件发生失稳破坏时,此时各个测点的波形变化很大、连续性差、波形的完整性遭到破坏。将波速的变化分为三个区段,(a)预制裂隙未扩展区:各个测点的波速随应变的增加没有明显的变化;(b)预制裂隙扩展过渡区:各个测点的波速随应变的增加明显降低;(c)预制裂隙扩展区:各个测点的波速随裂隙的扩展逐渐减低,继续加载至试件破坏,各个测点的波速下降很快。(3)考虑岩石材料视为各向同性物质,将含裂隙试件测点的波速随应变的变化分为两种情况,一种是考虑测点布置在预制裂隙的两侧,试件受力过程中,预制裂隙因为倾角的关系会产生闭合现象,而试件内部的原有微裂纹会发展延伸,导致测点的波速—应变曲线显得比较紊乱,无法判断波速与应变之间的变化关系。另一种是考虑测点没有布置在预制裂隙的两侧,选取每个试件相同的测点(均选取测点6#所测数据)进行分析,得到基于波速变化的裂隙扩展演化实验模型,即波速与应变关系表达式。(4)通过对完整试件进行单轴压缩荷载实验,得到试件的初裂强度和单轴抗压强度。实验结果表明:完整试件的初裂强度范围在5.96~6.77MPa,平均值为6.46MPa;单轴极限抗压强度范围在11.43~16.70MPa,取平均值为14.73MPa。总体来看,试件的初裂强度浮动范围较小,而单轴抗压强度的值离散性较大。(5)通过对完整试件进行单轴压缩荷载实验,加载到每一级荷载时,利用超声仪对7个测点进行超声波的波形和波速的采集,获得了每个侧点的波形图和波速值。波形实测结果表明:0MPa时,测点4#和测点5#的波形出现异常,说明这两点周围存在初始损伤;在3.0~7.5MPa时,测点4#的波形依然出现异常,而测点1#、2#、3#的波形末端出现异常现象,说明试件的局部开始出现微裂纹。继续加载,当试件表面出现初始裂纹时,7个测点的波形都表现出不规则现象。在裂纹扩展阶段,初始裂纹继续迅速传播发展,超声波的波形也会随着裂纹的扩展而发生不规则变化。当裂纹贯通整个试件时,试件已经失去承载能力,此时各个测点的波形异常变化很大、连续性差、波形明显不规则。波速实测结果表明:测点1#、2#、3#的初始波速值比较接近,测点5#、6#、7#的初始波速值比较接近。在试件表面没有出现裂纹之前,波速随应变的增加没有明显的变化。当试件表面出现裂纹之后,波速随应变的增加明显降低,试件内部缺陷已延伸至试件表面,试件损伤程度严重。随着损伤的进一步扩展到达试件的抗压强度后,试件内部的完整性遭到严重破坏,超声波在试件内部的波速值降低很大。(6)通过对完整试件进行单轴压缩实验,利用超声仪记录了脉冲波的波速在实验过程中的相对变化,定义了以波速变化的损伤变量。将岩石损伤视为各向同性,采用各向同性损伤原理建立了损伤演变本构模型,并将实验所得参数值代入本构模型进行对比分析。通过对完整试件测点的波速—应变关系曲线图的分析,得到了波速与应变关系表达式,对研究岩石材料损伤到断裂的扩展机理提供理论参考。


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