不同层理倾角对砂岩剪切开裂扩展过程及其开裂扩展特征影响的试验研究

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岩体作为一种具有各向异性特征的天然材料,在其所处的复杂地应力环境及其自身结构特征的影响下可能发生失稳破坏,从而影响其岩体工程稳定性。对于岩体而言,其变形损伤破坏过程是由其裂隙及其岩石内大量裂隙的开裂扩展所导致的,而这些裂隙的开裂扩展过程所产生声波信号,即声发射信号可通过专业的仪器设备检测。采用时差定位法,即通过布设多个声发射探头,利用各探头之间的信号时差分析计算出因岩体内裂隙的开裂扩展所产生的声波信号源的空间位置,将为岩体在其变形损伤破坏过程中裂隙开裂扩展过程的三维可视化提供可能。本文利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,以具有不同层理倾角的砂岩为研究对象,并结合声发射定位测试技术,开展了0°、30°、60°和90°四种不同层理倾角以及0 MPa和3 MPa两组不同法向应力条件下的岩石剪切开裂扩展试验研究,通过对具有不同层理倾角的砂岩在不同法向应力条件下的剪切开裂扩展过程及其剪切开裂扩展特征的分析,揭示不同层理倾角对岩石剪切开裂扩展机理的影响。其主要研究工作及取得的研究成果如下:(1)利用声发射测试系统采集剪切过程中砂岩产生的声发射信号并进行计算得出声发射定位图,通过对不同时刻的声发射定位图的分析,表明不同层理倾角的砂岩在剪切荷载作用下发生的破坏都是由其内部产生的裂隙开裂扩展并逐渐形成宏观贯通裂隙造成的;(2)在相同法向应力的条件下,不同层理倾角会在一定程度上影响裂隙的开裂扩展过程。当层理倾角较小时,裂隙的开裂扩展方向将由上至下进行,当层理倾角较大时,裂隙将首先出现于试件的中部并向试件的上下两端开裂扩展;当层理倾角在30°和60°时,裂隙呈现出一定的角度与层理倾角有关且裂隙数量较多的特征,当层理倾角在0°和90°时,裂隙呈现出近似垂直形态且裂隙数量较少的特征;(3)在相同层理倾角的条件下,法向应力的增加使砂岩的抗剪强度增大,裂隙开裂扩展的速度降低但是开裂破坏程度有所提高,同时使得孔隙裂隙压密阶段过渡到弹性阶段的转折点变得明显;法向应力的存在对裂隙的开裂扩展方向影响较小,但对于裂隙开裂扩展特征的影响较为明显,由裂隙特征与层理倾角相关的形态向裂隙特征呈垂直开裂扩展的形态发生转变。
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