不同围压下岩石动静态强度和变形参数尺寸效应数值研究

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岩石抗压强度和变形参数是岩石工程设计中的重要指标。由于岩石是典型的非均质材料,其强度和变形特性随样品尺寸的变化而不同。同时岩石的强度和变形特性还受围压和加载率的影响。因此,本文采用PFC2D程序模拟了不同围压下定长径比不同直径岩样的动静态压缩试验,研究了岩石强度、峰值应变、变形模量和破坏模式随尺寸的变化规律,以及围压和加载率的变化对岩石尺寸效应的影响。结果发现:  (1)岩石具有明显的尺寸效应。岩石强度、峰值应变和变形模量均随尺寸的增大而减小,其中,变形模量的尺寸效应相对较小,甚至可以忽略。此外,尺寸的变化对岩石的破坏模式影响较小。  (2)岩石具有明显的围压效应。岩石强度、峰值应变和变形模量均随围压的增大而增加,其中,强度和峰值应变随围压的增大呈线性增加,而围压对变形模量的影响较小,甚至可以忽略。岩石的破坏模式受围压的影响显著,随着围压的增加,其破坏模式表现为劈裂破坏-单一主控面剪切破坏-X或Y型多重斜面剪切破坏的过程。不同尺寸或不同加载率条件下,岩石强度的改变主要是由粘聚力的变化造成,而内摩擦角受尺寸和加载率的影响较小。  (3)岩石具有明显的加载率效应。岩石强度、峰值应变和变形模量均随加载率的增大而增加,大致与加载率的对数呈线性关系。同一尺寸的样品,在相同加载率区间内,高围压下岩石强度的增量要比低围压下岩石强度的增量要小,说明围压的增加会使强度对加载率的敏感度降低。此外,加载率的存在对岩石破裂模式的影响较小。  (4)围压的存在会影响岩石的尺寸效应。不同尺寸岩样的强度和峰值应变在相同围压区间内的增量基本相同,同时随着围压的增大,其强度和峰值应变增加,进而使岩石强度和峰值应变的尺寸效应弱化;而不同尺寸岩样变形模量在相同围压区间内的增长率大致相同,因而造成围压对变形模量尺寸效应的影响较小。  (5)加载率的存在会影响岩石的尺寸效应。大尺寸岩样的加载率效应要比小尺寸岩样的加载率效应更加显著,在相同的加载率区间内,大尺寸岩样强度、峰值应变和变形模量的增量均大于小尺寸样品对应值的增量,同时随着加载率的增大,其强度、峰值应变和变形模量增加,进而使岩石强度、峰值应变和变形模量的尺寸效应弱化。  (6)岩石强度的尺寸效应、围压效应和加载率效应与岩石的微观破坏机制有关。①相对小尺寸样品,大尺寸样品破坏时的裂纹密度较小,表明大尺寸样品破坏时参与破坏的相对裂纹数较少,因而其强度较小;②随着围压和加载率的增加,同一尺寸岩样破坏时的裂纹数量增加(其裂纹密度也变大),表明其样品破坏时有更多的裂纹参与,从而导致岩石强度的变大;③不同尺寸样品破坏时的裂纹密度与围压拟合曲线的斜率基本相同,表明在相同围压区间内,不同尺寸样品破坏时的裂纹密度增量大致相同,因而其强度增量也基本相当;而大尺寸岩样裂纹密度与加载率拟合曲线的斜率明显大于小尺寸岩样裂纹密度与加载率拟合曲线的斜率,这表明在相同加载率区间内,大尺寸样品的裂纹密度增量明显大于小尺寸样品的裂纹密度增量,因而使大尺寸样品的强度增量大于小尺寸样品的对应值。
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