预制节理软-硬组合岩体三轴卸围压损伤破坏特征

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隧道及地下工程施工过程中受开挖卸荷作用易产生围岩的破坏、冲击地压、岩爆等灾害的发生。而组合岩体在岩体工程中非常常见,且在加、卸载条件下的受力变形特性与单岩体具有一定的差异。实际工程岩体中,存在着各种节理、裂隙、软弱结构面等缺陷,这些缺陷对岩体的力学性质有着重要影响。本文采用水泥、河砂和水配制了软、硬两种类岩材料,插入云母片制作不同倾角裂隙的节理软岩及节理组合岩体类岩石标准圆柱形试样。进行了常规三轴压缩及三轴卸围压声发射试验,探究节理组合岩体卸围压损伤破坏的力学机理,提出了能够合理描述卸围压阶段组合岩体力学行为的力学模型,从能量及声发射角度揭示节理岩样卸荷损伤演化规律,并探讨节理倾角对节理岩样各项特性的影响。通过本文的研究,在以下方面取得了一些进展:(1)基于室内试验结果,分析了节理软岩及节理组合岩体变形破坏特征,研究了加卸荷作用下节理岩样力学参数变化规律。结果表明,在卸围压条件下节理岩样的强度有所下降,脆性破坏特征更为明显;随卸荷初始围压的增大,节理岩样的峰值强度和峰值应变逐渐增大;卸围压速率越高,节理岩样的内摩擦角越大、粘聚力越小;Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则都能很好的描述节理岩样主应力差之间的转系,但Mohr-Coulomb强度准则拟合效果更好;随节理倾角的增大,节理岩样在加、卸荷试验中强度呈“U”型变化,在30°~60°之间取得最小值。(2)根据能量计算公式,分析了加、卸荷条件下节理软岩及节理组合岩体能量演化规律。结果表明:随卸荷初始围压的增大,节理组合岩体内部弹性能逐渐增大,破裂时释放的能量越多,使得节理组合岩体在高围压下破坏更剧烈;随卸围压速率的增大,节理岩样在卸荷阶段能量转化速率加快,节理岩样发生破坏时也更剧烈;节理岩样在峰值点处各能量指标值均随节理倾角的增大而呈“U”型变化,但节理倾角在30°~60°之间时,弹性能占比较大,能量转化也更剧烈,破坏时脆性特征也更明显。(3)分析了不同加、卸荷条件下节理软岩及节理组合岩体变形破坏过程中声发射特征演化规律。研究结果表明:随卸荷初始围压的增大,声发射振铃计数率峰值增大,说明随卸荷初始围压的增大节理岩样破坏时释放更多能量;随卸围压速率的增大,节理岩样声发射参数峰值的“滞后”时间逐渐减小,且振铃计数率峰值逐渐增大,说明随卸围压速率的增大节理岩样破坏越早,破坏也越剧烈;随节理倾角的增大,节理岩样声发射参数峰值的“滞后”时间总体呈“U”型变化,但不同倾角节理岩样声发射参数峰值也可能出现在峰值应力点前。(4)将组合岩体概念化为裂纹体和基体两部分,分别用自然应变和工程应变描述。并根据裂纹应变的计算公式,建立了卸围压阶段节理组合岩体轴向应变-主应力差和轴向应变-时间的关系模型,并对模型的适用性和合理性进行验证以及对模型参数进行讨论。模型的理论值与试验值吻合度较高,能够较好地描述节理组合岩体卸围压阶段应力-应变以及应变-时间的非线性特点。
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