卸荷条件下岩石力学特性的试验研究

论文摘要

本文以实际岩体工程为背景,通过室内试验,研究了轴向加荷、侧向卸荷LU,侧向卸荷CU,轴向卸荷、侧向卸荷UU三种卸荷条件下砂岩及预制裂隙水泥砂浆试样的力学特性与破坏特征。本文首先研究了不同卸荷条件下砂岩的力学特性,试验结果表明：砂岩的变形、强度等力学特性主要受卸荷方式、初始轴压、初始围压的影响,围压卸荷速度对变形的影响不明显；卸荷条件下砂岩强度较低,体胀明显,侧向变形发展充分,破坏为张剪混合破坏；砂岩的强度随初始轴压、初始围压和围压卸荷速度增加而增加;UU卸荷条件下,砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段,破坏时也无应力峰值,而初始轴压、初始围压越高及围压卸荷速度越小,破坏前轴向应变弹性回弹越显著。其次,研究了预制裂隙试样在不同卸荷条件下的力学特性,试验结果表明：裂隙试样的变形、强度等力学特性主要受裂隙角度、卸荷方式、初始围压等的影响；裂隙试样的强度变化规律与加卸荷条件无关,主要受裂隙角度的控制,屈服应力随着裂隙角度的增加而增大,强度随裂隙角度增加先降低而后再增加,在0°和90°时强度较高,30°或45°时强度较小；裂隙试样的裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通机理和破坏形态主要受裂隙倾角控制,其次也受卸荷条件的影响,裂隙角度为30°、45°、60°时破坏为张剪破坏,裂隙角度为0°时破坏为X状共轭斜面剪切破坏,裂隙角度为90°时破坏为张拉破坏；卸荷条件下,裂隙试样强度较低,体胀明显；裂隙试样的强度随初始围压和围压卸荷速度的增加而增加；UU卸荷条件下,围压卸荷速度越小,裂隙试样变形初始段的轴向应变回弹越明显。最后根据砂岩试样的试验结果,在对卸荷过程中耗散的能量进行分析的基础上,提出了卸荷条件下基于能量的损伤变量,并对损伤演化规律进行了初步的探讨。本文研究结果表明,卸荷条件下,岩石的力学特性与加载条件下明显不同,轴加侧卸LU下,可以采用主动压缩LC的本构关系描述,侧向卸荷CU和轴侧同卸UU下应采用与卸荷条件相适应的卸荷本构关系,卸荷力学参数,卸荷破坏准则等来研究岩体的力学特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 卸荷下岩石材料的力学特性研究现状
• 1.3 裂隙岩体的力学特性研究现状
• 1.4 岩石类材料的损伤研究
• 1.4.1 损伤理论的研究现状
• 1.4.2 岩体损伤模型研究现状
• 1.4.3 岩体损伤的研究方法
• 1.5 岩体开挖过程中的应力路径
• 1.6 本文研究思路、方法及研究内容
• 2 试验系统和试验方案设计
• 2.1 试验仪器
• 2.2 试验方案设计
• 2.2.1 试件材料的选取
• 2.2.2 试验的控制方式
• 2.2.3 试验的观测与记录
• 2.2.4 试验的加卸载方案
• 3 卸荷条件下砂岩变形-强度特性的试验研究
• 3.1 主动压缩LC下砂岩的力学特性
• 3.1.1 主动压缩LC下砂岩的变形特性
• 3.1.2 主动压缩LC下砂岩的强度特性
• 3.1.3 主动压缩LC下砂岩的破坏特性
• 3.1.4 本节小结
• 3.2 轴加侧卸LU下砂岩的力学特性
• 3.2.1 轴加侧卸LU下砂岩的变形特性
• 3.2.2 轴加侧卸LU下砂岩的强度特性
• 3.2.3 轴加侧卸LU下砂岩的破坏特性
• 3.2.4 本节小结
• 3.3 侧向卸荷CU下砂岩的力学特性
• 3.3.1 侧向卸荷CU下砂岩的变形特性
• 3.3.2 侧向卸荷CU下砂岩的强度特性
• 3.3.3 侧向卸荷CU下砂岩的破坏特性
• 3.3.4 本节小结
• 3.4 轴侧同卸UU下砂岩的力学特性
• 3.4.1 轴侧同卸UU下砂岩的变形特性
• 3.4.2 轴侧同卸UU下砂岩的强度特性
• 3.4.3 轴侧同卸UU下砂岩的破坏特性
• 3.4.4 本节小结
• 3.5 不同卸荷条件对砂岩力学特性的影响
• 3.5.1 不同卸荷条件下砂岩的变形特性
• 3.5.2 不同卸荷条件下砂岩的破坏特性
• 3.6 本章小结
• 4 卸荷条件下裂隙试样变形-强度特性的试验研究
• 4.1 主动压缩LC下裂隙试样的力学特性
• 4.1.1 主动压缩LC下裂隙试样的变形特性
• 4.1.2 主动压缩LC下裂隙试样的强度特性
• 4.1.3 主动压缩LC下裂隙试样的破坏特性
• 4.1.4 本节小结
• 4.2 轴加侧卸LU下裂隙试样的力学特性
• 4.2.1 轴加侧卸LU下裂隙试样的变形特性
• 4.2.2 轴加侧卸LU下裂隙试样的强度特性
• 4.2.3 轴加侧卸LU下裂隙试样的破坏特性
• 4.2.4 本节小结
• 4.3 侧向卸荷CU下裂隙试样的力学特性
• 4.3.1 侧向卸荷CU下裂隙试样的变形特性
• 4.3.2 侧向卸荷CU下裂隙试样的强度特性
• 4.3.3 侧向卸荷CU下裂隙试样的破坏特性
• 4.3.4 本节小结
• 4.4 轴侧同卸UU下裂隙试样的力学特性
• 4.4.1 轴侧同卸UU下裂隙试样的变形特性
• 4.4.2 轴侧同卸UU下裂隙试样的强度特性
• 4.4.3 轴侧同卸UU下裂隙试样的破坏特性
• 4.4.4 本节小结
• 4.5 不同卸荷条件对裂隙试样力学特性的影响
• 4.5.1 不同卸荷条件下裂隙试样的变形特性
• 4.5.2 不同卸荷条件下裂隙试样的破坏特性
• 4.6 本章小结
• 5 卸荷条件下砂岩的能量和损伤变量的确定
• 5.1 砂岩的能量构成和能量耗散
• 5.2 损伤变量的确定
• 5.3 卸荷条件下砂岩的损伤演化规律
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 卸荷条件下砂岩的变形、强度特性和破坏特征
• 6.1.2 卸荷条件下裂隙试样的变形、强度特性和破坏特征
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 参加的生产课题