不同加、卸荷条件下大理岩力学及声发射特性试验及理论研究

论文摘要

随着我国经济建设的持续快速发展，在水电、矿山、能源、交通等领域需要修建的深部地下工程也日趋增多，其工程的设计、施工、运营及稳定性等方面都直接依赖于岩体的变形、强度等特性。由于其岩体结构、赋存条件及赋存环境的复杂性、多变性，并且受工程施工因素的影响，因此进行不同应力路径及环境影响条件下的岩体变形、强度研究有重要意义。关于岩体在加荷条件下的力学特性研究，很多专家学者都已经做了大量的工作，建立起了一套比较完善的试验、理论分析方法，取得了一系列的研究成果，但卸荷条件下岩石力学特性与加荷条件下有一定的差异，虽然这方面的研究近年取得了长足进展，但仍有很多问题有待深入研究。本文通过不同卸荷应力水平、不同卸荷速率的大理岩试验，研究大理岩不同加卸荷条件下的变形、破坏等力学特性。本文主要取得下列研究成果：（1）通过不同应力路径下大理岩的加、卸荷试验，分析了不同卸荷初始围压、不同卸荷速率下岩石力学性质。结果表明：岩样加荷阶段轴向应变起主导作用，卸荷阶段环向应变起主导作用；峰前加轴压、卸围压试验条件下，随卸荷初始围压的增加，岩样的峰值强度也随之提高，但都低于对应的相同围压下的常规三轴岩样的峰值强度。在相同的卸荷初始围压下，岩样随卸荷速度越快，越容易发生破坏；岩样的破坏特征与试验控制模式有关，应力控制模式下分为主剪切、共轭剪切、劈裂加剪切三种，变形控制模式下分为主剪切破坏、劈裂加剪切两种。岩样的破坏角与岩样的卸荷初始围压和卸荷速率有关，在相同的卸荷初始围压下，破坏角随卸荷速度的增大而增大；相同的卸荷速率下，破坏角随卸荷初始围压的增大而减小。（2）通过声发射监测系统研究岩石在变形破坏过程中的声发射特征，得出以下结论：单轴试验、常规三轴试验和加轴压、卸围压试验在岩样破坏之前，振铃计数率都有明显递增的趋势，破坏后，随应力的下降，声发射活动减弱，整个试验过程都经过了平静期-活跃期-异常活跃期-活跃期-平静期；常规三轴试验与卸围压试验比较，声发射活动在加荷阶段都是一样的，卸围压开始后到试验结束，卸围压试验的声发射活动更强烈，卸围压试验的最大振铃计数率远远大于常规三轴试验的最大振铃计数率，说明卸围压试验具有更大的破坏性；变形控制下的卸围压试验，最大振铃计数率在相同的卸荷速率、不同的卸荷围压下，随卸荷初始围压的增大呈增大趋势，验证了相同的卸荷速率，高围压下岩石破坏需要释放更高的能量。（3）根据所得到的大理岩试验数据，拟合得出的卸荷岩石强度准则表明：Mohr-Coulomb强度准则和Mogi-Coulomb强度准则的内摩擦角j和粘聚力c近乎相同，但是偏差平方和却相差很大，Mogi-Coulomb准则优于Mohr-Coulomb准则；D-P准则的内摩擦角j小于Mohr-Coulomb准则和Mogi-Coulomb的j值，粘聚力c值大于Coulomb准则的c值；D-P准则拟合偏差平方和小于Mohr-Coulomb准则偏差平方和，大于Mogi-Coulomb准则偏差平方和；通过量测破坏岩样的破坏角得到的粘聚力c，与拟合求得的破坏角和粘聚力相比，Mohr-Coulomb准则和Mogi-Coulomb准则求得的破坏角和粘聚力接近实际测得的岩石破坏角和所得的c值，D-P准则求得的破坏角和粘聚力与实际相差较大。根据偏差平方和最小为目标的原则，得出Mogi-Coulomb准则更适用于本试验大理岩的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 存在问题
• 1.4 研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 不同加、卸荷条件下大理岩力学试验
• 2.1 试验方案设计
• 2.1.1 试验条件
• 2.1.2 试验应力路径
• 2.2 岩样加荷破坏试验结果分析
• 2.3 应力控制峰前加轴压、卸围压试验结果分析
• 2.3.1 应力-应变曲线
• 2.3.2 卸荷初始围压对岩石破坏的影响
• 2.3.3 卸荷速率对岩石破坏的影响
• 2.3.4 岩样破坏形态特征
• 2.3.5 强度特征
• 2.4 变形控制峰前加轴压、卸围压试验结果分析
• 2.4.1 应力-应变曲线
• 2.4.2 卸荷初始围压对岩石破坏的影响
• 2.4.3 岩样破坏特征
• 2.4.4 强度特征
• 2.5 本章小结
• 第3章 不同加、卸荷条件下大理岩声发射特性试验
• 3.1 试验介绍
• 3.1.1 试验条件
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 常规单轴及三轴加荷破坏声发射特征
• 3.3 应力控制峰前加轴压、卸围压试验声发射特征
• 3.3.1 应力-时间-振铃计数率曲线
• 3.3.2 卸荷初始围压对应力-时间-振铃计数率曲线的影响
• 3.3.3 卸荷速率对应力-时间-振铃计数率曲线的影响
• 3.4 变形控制条件下岩样加轴压、卸围压声发射特征
• 3.4.1 应力-时间-振铃计数率曲线
• 3.4.2 卸荷初始围压对应力差-时间-振铃计数曲线的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 大理岩卸荷破坏强度准则及本构描述
• 4.1 岩样卸荷破坏试验结果
• 4.2 岩石破坏的强度准则
• 4.2.1 Mohr-Coulomb 强度准则
• 4.2.2 Drucker-Prager 强度准则
• 4.2.3 Mogi-Coulomb 强度准则
• 4.3 大理岩卸荷模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间科研工作
• 致谢