岩石损伤变形与尺寸效应研究

【摘要】： 岩石是一种非均质材料，因而决定了它本身力学特性的复杂性和离散性。材料的损伤和断裂过程的研究一直是力学界研究的热点和难点。岩石类固体材料的破坏是一种累积损伤过程，在力学上是宏观缺陷的产生与扩展的累积过程。 人们在进行结构试验时，一般是把结构按一定比例缩小后的模型来测试其力学特性。所以，试验所测得的力学参数不能完全体现实际结构的特性，在一定程度上试验结果还受结构尺寸大小的影响。研究岩石力学特性与尺寸效应的关系，以获得工程岩体力学特性的预测方法十分必要，具有重要的理论和实践意义。 本文采用单轴压缩试验、单轴递增循环压缩试验和单轴等循环压缩试验，并立足于岩石的非均质性，研究岩石在加载过程中的损伤变形演化和尺寸效应的关系，得出以下结论： 1)提出假设，即岩石在形状尺寸和加载条件相同的时候，岩石的极限应变(破坏时的应变)、卸载模量和损伤临界值D_U相等。且定义损伤临界值等于1减去破坏后的残余强度与峰值强度之比。由此建立塑性应变损伤模型，并证实了此损伤模型的合理性。 2)研究岩石在单轴压缩、单轴递增循环压缩和单轴等循环压缩下声发射特性；用声发射振铃总数和声发射总能量建立了单轴压缩下岩石的损伤模型，结果表明，它们与塑性应变损伤模型基本一致。 3)分析了岩石在单轴压缩下切线模量和泊松比随应变增加的演变过程；用塑性应变损伤模型分析岩石损伤随应力、应变的发展过程，并证实此损伤模型的理论值与试验结果的一致性。 4)通过岩石单轴递增循环压缩试验分析得出岩石的径向塑性滞回环比轴向塑性滞回环更饱满；在循环压缩区间塑性应变损伤模型能很好地体现出损伤随荷载循环次数的增加而增加的趋势。 5)通过岩石单轴等循环压缩试验，采用塑性应变损伤模型分析得出岩石在循环过程中损伤随循环次数增加，但是每次循环的损伤增加量随循环次数的增加而减小；采用塑性应变损伤模型得出的应力应变曲线能较好地体现出塑性滞回环。 6)通过相同直径不同高径比的岩石进行单轴压缩、单轴递增循环压缩和单轴等循环压缩试验，得出岩石极限应力、极限应变和弹性模量随着高径比变化而变化的结果。采用塑性应变损伤模型对岩石的尺寸效应进行研究，得出损伤与高径比的演化趋势。 7)采用岩石破坏过程分析软件RPPA~(2D)对岩石进行了数值分析，阐述了岩石破坏过程和岩石破坏过程中的声发射分布情况。