基于数字图像技术的拉-压循环加卸载条件下岩石变形特性试验研究

摘要

岩石的力学性质对评估和维护岩体稳定性至关重要，在岩土工程开挖过程中，往往会造成岩体内部地应力的重新分布，岩体将处于复杂的地应力环境中。本文以田下凝灰岩为研究对象，开展了不同应变幅值、不同拉伸幅值、不同压缩幅值、不同应变速率及压-拉循环等五种不同试验条件的拉-压循环加卸载条件下岩石变形特性试验研究，并结合非接触全场变形测量云图分析了不同试验条件下拉-压（压-拉）循环荷载作用过程中岩石表面变形场、岩石应力-应变关系及相关变形参数的变化规律，这些成果对认识复杂应力条件下岩石破坏机理、正确评价岩体稳定性和安全性具有重要的理论与现实意义。归纳起来，本文的主要研究工作及取得的主要成果如下：　　（1）岩石拉-压循环加卸载试验中拉伸与压缩之间过渡连续且平滑，随着循环进行试件呈轴向压缩后缩短的状态，径向呈膨胀状态，拉-压循环加卸载条件下试件更容易破坏于拉伸阶段，拉-压循环循环试验后未破坏试件拉伸强度略有增加。　　（2）拉-压循环加卸载过程中第1次循环结束后试件产生了更多的残余变形，耗散能也更大，拉-压循环加卸载条件下试件的破坏可能存在一定的门槛值，该门槛值受拉伸幅值与压缩幅值的共同影响。　　（3）拉-压循环加卸载试验中，变形局部化现象也是主要集中在变形局部化带内，这也是后期试件发生拉断破坏的位置。除了试件断裂位置，前期出现的其他变形局部化区域均发生了应变回弹，在这些位置试件仍有承受拉伸弹性变形的能力。　　（4）拉-压循环加卸载过程中切线模量、割线模量、幅值上限应力、耗散能等相关参数的变化趋势以及应变云图的变化能较好的反映试件变形局部化区域从产生逐渐拓展并导致破坏的过程，以及破坏过程中微裂纹的扩展过程，故切线模量、割线模量、幅值上限应力、耗散能等相关参数可用于推断试样的损伤。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石变形特性研究

1.2.2 循环荷载条件下岩石变形特性演化

1.2.3 数字图像技术在岩石力学中的应用

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 拉-压循环加卸载条件下岩石变形特性试验研究方法

2.1.1 试验岩样的采集和制备

2.1.2 试验岩样物理参数测定

2.2 试验装置

2.2.1 单轴拉伸试验系统

2.2.2 基于DIC的非接触全场变形测量系统

2.2.3 非接触光学三维扫描系统

2.3.1 试验方案

2.3.2 试验步骤

2.4 本章小结

3 拉-压循环加卸载条件下岩石变形特征

3.1 试验过程控制性参数演化

3.2 岩石表面变形场演化

3.3 基于虚拟应变片的岩石应力-应变关系分析

3.3.1 轴向应变及径向应变与时间关系

3.3.2 拉-压循环加卸载条件下岩石应力-应变曲线

3.3.3 幅值上限应变与幅值上限应力演化规律

3.4.1 切线模量

3.4.2 割线模量

3.4.3 耗散能

3.5 岩石宏观破坏特征

3.5.1 拉-压循环加卸载条件下岩石宏观破坏试验结果统计

3.5.2 拉-压循环加卸载条件下岩石变形局部化及断面三维形貌特征

3.5.3 单调加载条件下岩石变形破坏特性分析

3.6 本章小结

4 不同试验条件对岩石变形特性的影响

4.1.1 岩石表面变形场演化

4.1.2 岩石应力-应变曲线

4.1.3 岩石变形相关参数演化分析

4.1.4 岩石变形局部化分析

4.2.1 岩石表面变形场演化

4.2.2 岩石应力-应变曲线

4.2.3 岩石变形相关参数演化分析

4.2.4 岩石变形局部化分析

4.3.1 岩石表面变形场演化

4.3.2 岩石应力-应变曲线

4.3.3 岩石变形相关参数演化分析

4.3.4 岩石变形局部化分析

4.4.1 岩石表面变形场演化

4.4.2 岩石应力-应变曲线

4.4.3 岩石变形相关参数演化分析

4.4.4 岩石变形局部化分析

4.5.1 岩石表面变形场演化

4.5.2 岩石应力-应变曲线

4.5.3 岩石变形相关参数演化分析

4.5.4 岩石变形局部化分析

4.6 本章小结

5 结论和展望

5.1 主要结论

5.2 后续研究工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致谢