循环载荷作用下岩石损伤演化规律研究

摘要

岩石作为一种非均质脆性材料在循环载荷作用下损伤破坏问题涉及到诸多工程领域。本文利用先进的MTS815岩石力学测试系统和12CHs SAMOS? System声发射测试系统对岩石在循环载荷作用下的损伤演化特性进行了较深入的研究。
　　本文通过实验研究与理论分析相结合的方法，研究不同上限应力水平、不同下限应力水平、不同加载速率及不同含水量的循环载荷作用下的声发射规律，利用声发射作为损伤的宏观表现，与损伤一致性的观点，分析岩石在循环载荷作用下的损伤演化规律，建立了以声发射参数为损伤变量的损伤演化方程，并用分形理论计算了循环载荷作用下的声发射关联维数，分析了关联维数变化规律。其具体主要结论如下：
　　(1)加载速率的提高使全过程平均声发率加大，峰值破裂时释放声发射能量随加载速率的提高而减小。含水量的增加使全过程平均声发射率减小。不同岩类结构体现出不同声发射特性，结构均匀的岩石更能体现岩石应力应变曲线四阶段理论。改进的基于声发射单轴压缩损伤演化模型更能体现岩石损伤演化规律。
　　(2)通过对岩石声发射 Kaiser效应及 Felicity效应分析，找到了实验岩样的Kaiser效应上限应力值为强度应力的70％左右，即在应力水平70%以上循环载荷下的声发射规律表现以Kaiser效应为主，70%以上主要以Felicity效应为主。
　　(3)在等幅循环作用下上限应力对声发射的影响起主导作用，决定着声发射变化的趋势；下限应力的影响主要在循环末期，每循环中提高了声发射产生的时间，即Felicity比值减小；加载速率对声发射的影响主要在声发射率上，特别是主裂纹形成扩展阶段，速率加大使循环过程中的主裂纹形成、扩展速率增快，加快了岩石破坏的速率，从而增大了声发射率；不同饱和度下的声发射结果表明，含水量越多，声发射率越低，声发射数少，破坏时释放的能量少。
　　(4)不同加载速率和应力幅度下的循环实验，声发射规律体现出了不同的发展模式。不同的模式预示着岩石不同的破坏速率，稳定型表明岩石在循环载荷过程中破坏进程缓慢，需要更长的时间；而突变型表明循环过程中破坏进程快速，岩石变形破坏的速率加快。
　　(5)建立了基于声发射参数的循环损伤演化模型很好的体现了岩石损伤演化趋势，也呈明显的三阶段发展规律，能较好的表现出岩石损伤演化过程。
　　(6)通过声发射定位技术分析了循环条件下声发射的时空演化特征，从时间和空间上研究了岩石的损伤演化规律；同时探讨了影响声发射定位精度的几个相关因素；
　　(7)循环条件下声发射关联维数随着循环比成降低趋势，即是一个降维的过程，但是受不同实验条件(如本身结构差异、形状及外界条件等)的影响，其降维方式有所差异。循环作用下声发射的降维过程表明了岩石裂纹的形成、发展从初始无序状态转变到有序状态，即裂纹从随机形成、扩展到最后集中到由几条主裂纹控制区域上来。声发射分形维数变化和裂纹发展状态具有一致性，维数明显变化则表明裂纹发展快速，维数变化稳定表明裂纹变化不大。声发射维数的变化和表示累积损伤的声发射数有对应关系，维数的变化是由于累积损伤变化的结果，与损伤有很好的相关关系。

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目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究的目的意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要内容和技术路线

2 实验概况及方法

2.1 岩样的采集与加工

2.2 实验方法

2.3 仪器设备

2.4 试件的端部润滑

3 单轴压缩岩石损伤声发射规律研究

3.1 声发射参数的选取与预置

3.2 应力应变全过程曲线

3.3 单轴压缩声发射实验结果

3.4 基于声发射的单轴压缩损伤演化模型

3.5 本章小结

4 循环载荷作用下岩石损伤声发射规律研究

4.1 一致性分析

4.2 声发射Kaiser及Felicity效应分析

4.3 门槛值问题

4.4 等幅循环载荷作用下声发射损伤演化规律

4.5 循环载荷作用下声发射全过程时空演化规律

4.6 基于声发射的循环损伤演化模型

4.7 本章小结

5 循环载荷作用下声发射分形特征研究

5.1 分形定义及分形维数

5.2 岩石损伤裂纹分形特征

5.3 岩石损伤声发射关联维分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献