岩石单轴压缩条件下的尺寸效应及声发射特征

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岩石是一种复杂地质体,是典型的宏观连续微观不连续的非均匀介质。岩石的尺寸效应是指岩石试件的力学特性会根据试件尺寸、形状大小的不同呈现出明显的差异性,这种差异性导致实验室内对岩石力学性质研究成果无法直接运用到工程实际。并且岩石种类多、赋存环境复杂,实验室条件下也难以实现对各种尺度岩石的破坏研究,导致岩石尺寸效应仍是一个亟待深入研究的问题,因此,有必要对尺寸效应进行进一步的系统研究。基于此,本文采用物理实验与数值实验相结合的方法研究了尺寸效应。主要研究内容和结论如下:(1)利用正交实验研究了加载速率、均质度、垫片材质对岩石单轴压缩结合声发射实验的力学特性(峰值载荷、峰值应变、破坏方式)和声发射特征参数的影响。结果表明对岩石峰值载荷强度大小的影响因素大小依次为均质度>加载速率>垫片材质的软硬。同时也表明声发射累计计数和声发射累计能量的离散性系数用来评价声发射模拟实验结果离散性较好,并确定均质度为3、加载速率0.002mm/步,垫片选择硬垫片实验结果数据较不离散。(2)利用RFPA2D和RFPA3D分别研究了底边宽度相同高度不同的岩石试件的破坏方式、声发射参数、峰值强度、峰值应变等力学参数随高宽比的变化规律。结果表明岩石的力学参数y随高宽比x的变化可以通过过高宽比为2的力学参数如峰值载荷和峰值应变通过公式y(28)ay0exp(b*(2-x))(10)c来表示。同时也表明随着高宽比的增加,试件的破坏方式逐渐由X共轭剪切破坏趋向于沿单一剪切面破坏,峰值强度和峰值应变随着高宽比的增加而减小。(3)用RFPA2D研究高宽比一定下,尺寸不同的岩石试件的破坏方式、声发射参数、峰值强度、峰值应变等力学参数随高宽比的变化规律。结果表明,岩石的峰值载荷与峰值应变随岩石尺寸的增大变化规律是先减小在逐渐趋于稳定,之间存在一个宽度的阈值,小于这个宽度,岩石的峰值载荷随尺寸变化的增大呈负相关关系,大于这个阈值岩石的峰值载荷趋于某一稳定值。(4)从能量角度分析了岩石变形破坏过程。结果表明弹性应变能、耗散能和系统总能量都随高宽比的增大而减小,但耗散能的占比随高宽比的增加而增加并稳定到一固定值。耗散能占比越大,岩石更倾向于单一剪切面破坏。试件宽高比例保持一定时,随试样尺寸大小的增加,因耗散能占比的降低岩石的力学性质会稍有出入,但当岩石的规格达到一定程度时,岩石的耗散能比将会固定,从而导致岩石的力学性能、破坏方式更趋近于一致。
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