单轴循环加卸载条件下砂岩能量演化规律及声发射特征研究

摘要

随着各种地下工程的开展，矿山开采深度的增加，在许多地下工程的建设中岩石及基础常常会受到反复加卸载的作用，研究岩石在循环加卸载作用下的力学特性，具有重要的理论价值和工程意义。以枣庄市柴里煤矿的砂岩为研究对象，通过不同的加卸载路径，对砂岩试件进行单轴循环加卸载试验，分析对比了砂岩在不同循环加卸载路径下的强度特征，变形特征，能量演化及声发射特征之间的关系，得出了单轴循环加卸载条件下砂岩的力学特性，取得的研究成果如下： （1）对砂岩进行三种不同路径下的加卸载试验，即分级循环加卸载、变下限分级循环加卸载、等值循环加卸载，得出循环加卸载对砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比均有强化作用。在分级循环加卸载（方案B）和变下限分级循环加卸载（方案C）路径下，砂岩的单轴抗压强度相比单轴压缩试验分别提高26%和10%；弹性模量分别提高4%和2%。泊松比分别提高14%和10%。 （2）不同的循环加卸载路径会影响岩石的力学特性。对比分级循环加卸载（方案B）和变下限分级循环加卸载（方案C），方案B下砂岩的单轴抗压强度，弹性模量和泊松比均比方案C提高14%、2%和3%。 （3）岩石在经历反复加卸载作用后应力应变曲线会形成滞回环，滞回环的面积代表塑性变形的累积，表示耗散能的大小；三种循环加卸载方案下，试样产生的耗散能均与循环次数成正相关，砂岩最终循环产生的平均耗散能值是最初加载时的2-23倍。 （4）当循环加卸载次数相同时，分级循环加卸载试验比变下限分级循环加卸载试验条件下产生的滞回环面积更大，释放的耗散能更多。砂岩在方案B加载下产生的耗散能大约为方案C的16倍。原因在于分级循环加卸载路径下产生的塑性变形更大，对岩石的损伤破坏更严重，岩石用于产生塑性变形和内部损伤的耗散能更多。 （5）单轴压缩条件下，岩石声发射事件率的变化可用来表征岩石从初始加压至破坏的过程，岩石在压密阶段所产生的声发射事件率约为80个/s;弹性发展阶段产生的事件率保持相对稳定，约为20个/s，当试件进入非稳定阶段时声发射事件数突然增多最大可达25000个/s。等值循环加卸载条件下，加卸载循环次数相同时声发射事件率与应力值大小正相关，加载值为25MPa、35MPa、40MPa时，加卸载过程中产生的平均声发射事件率分别为3000个/s,4500个/s和12000个/s。 （6）Felicity比值可用来判定岩石的受损伤程度，Felicity比值越小表明岩石的损伤积累越多。两种循环加卸载条件下Felicity比均随着循环次数的增多而减小，方案B中砂岩的Felicity比值由初次循环的1.381减小为0.409；方案C下Felicity比值由初次循环的1.333减小至0.964；分级循环加卸载路径下岩样最终破坏时的Felicity比相对较小，表明砂岩在分级循环加卸载路径下比变下限分级循环加卸载路径下受到的损伤更严重。

目录

声明

1前言

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1循环加卸载试验国内外研究现状

1.2.2循环加卸载能量耗散国内外研究

1.2.3声发射国内外研究现状

1.3选题的依据

1.4课题的研究内容及方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

1.5技术路线

2材料与方法

2.1试验材料及制备

2.2试验系统

2.3试验方案

2.3.1单轴压缩试验

2.3.2分级循环加卸载试验

2.3.3变下限分级循环加卸载试验

2.3.4等值循环加卸载试验

3结果与分析

3.1砂岩强度及变形特征分析

3.1.1砂岩单轴压缩强度及变形特征分析

3.1.2砂岩单轴压缩破坏模式分析

3.1.3砂岩在分级循环加卸载下的试验结果分析

3.1.4变下限分级循环加卸载试验结果分析

3.1.5等值循环加卸载强度及变形特征分析

3.1.6砂岩不同循环加卸载条件下强度及变形特性分析

3.1.7小结

3.2砂岩能量演化规律分析

3.2.1循环荷载下岩石破坏的能量分类及计算

3.2.2循环加卸载下砂岩能量特征分析

3.2.3砂岩不同循环加卸载条件下能量演化特征对比分析

3.2.4小结

3.3声发射特征及Felicity效应分析

3.3.1声发射检测的物理基础

3.3.2单轴压缩下的声发射特征分析

3.3.3循环荷载下砂岩的声发射特征分析

3.3.4循环荷载下声发射Felicity比的变化特征分析

3.3.5小结

4讨论

4.1本文研究结果

4.2本文创新点

4.3进一步研究设想

5结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况