真三轴加卸载条件下砂岩力学特性与能量演化规律试验研究

摘要

地下工程围岩稳定性问题一直是岩石力学研究的前沿与热点。岩石力学性能是地下工程围岩稳定性问题研究的基础。本文以砂岩为研究对象，利用多功能真三轴流固耦合试验系统，开展了真三轴应力条件下砂岩加卸载力学特性与能量演化规律试验研究。重点探讨了初始应力环境和加卸载速率对砂岩的力学特性与能量演化规律的影响。本文的主要研究成果如下：　　①最大主应力方向采用位移加载，最小主应力方向上单面卸载。加卸载过程中，最大主应变和偏应变逐渐增大，中间主应变、最小主应变和体积应变逐渐减小。加卸载初期试样被压缩，而后扩容。试样的变形模量先增大后减小。泊松比先保持稳定，然后逐渐增大，最终趋于水平。试样破坏时，随着初始中主应力系数 b 增大，最大主应变量、最小主应变量和偏应变量增大，而中间主应变量和体积扩容量减小，张性破裂特征越来越明显。当初始最小主应力 σ3增大时，砂岩的峰值应力呈线性增加，且试样发生破坏时，中间主应变量、最小主应变量和体积扩容量减小，而最大主应变和偏应变量增大，剪切裂纹更为明显。初始广义剪应力 q 增大，试样发生破坏时，中间主应变量和体积应变量减小，最大主应变量、最小主应变量和偏应变量先减小后增大，破坏形成的岩块较为破碎。　　②初始b增大，试样在峰值应力点处吸收的总能量U略有增加，储能极限Uemax有小幅度减小，峰前累积耗散能Ud增加明显，裂纹更为发育，相应的耗散能比例Ud/U也随之增大。试样达到峰值应力点时的U、Uemax和Ud与初始σ3呈线性递增关系。随着初始q增大，试样发生破坏时U、Ud和Ud/U先减小后增大，Uemax有一定提高。　　③加载速率增大，试样的峰值应力明显增大，相应的最大主应变量、偏应变量、中间主应变量也随之增大，最小主应变量减小，扩容点逐渐滞后，试样逐渐由张剪破坏转向剪切破坏，产生非贯通性裂纹。卸载速率增大，岩样的峰值应力降低，相应的最大主应变、偏应变和中间主应变量减小，最小主应变量增大，扩容点提前，试样逐渐由剪切破坏转向张拉破裂。　　④加载速率越大，试样在峰值应力点处的 U、Uemax和 Ud明显增大，且Ud/U也增大。卸载速率越大，试样在峰值应力点处的U、Uemax和Ud则逐渐减小，相应的Ud/U也减小。试样峰前的应变能转化速率u与加载和卸载速率呈线性关系。　　⑤八面体剪应力强度准则和双剪应力强度准则对本文的强度数据均有较好的适用性。

目录

1 绪 论

1.1 课题的选择及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 常规三轴条件下岩石加卸载试验

1.2.2 真三轴条件下岩石加卸载试验

1.2.3 岩石能量演化特征试验研究

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 不同初始应力条件下砂岩加卸载力学特性试验研究

2.1 引言

2.2.1 试验装置

2.2.2 试样制备

2.3.1 试验方案

2.3.2 应力-应变分析

2.3.3 强度特征分析

2.3.4 破坏形态分析

2.4.1 试验方案

2.4.2 应力-应变分析

2.4.3 强度特征分析

2.4.4 破坏形态分析

2.5.1 试验方案

2.5.2 应力-应变分析

2.5.3 强度特征分析

2.5.4 破坏形态分析

2.6 本章小结

3 不同初始应力条件下砂岩能量演化特征试验研究

3.1 引言

3.2 能量分析原理

3.3 岩石破坏过程中能耗分析

3.4 不同中主应力系数条件下砂岩能量演化规律

3.5 不同最小主应力条件下砂岩能量演化规律

3.6 不同广义剪应力条件下砂岩能量演化规律

3.7 本章小结

4 不同加卸载速率条件下砂岩力学特性试验研究

4.1 引言

4.2.1 试验方案

4.2.2 应力-应变分析

4.2.3 强度特征分析

4.2.4 破坏形态分析

4.3.1 试验方案

4.3.2 应力-应变分析

4.3.3 强度特征分析

4.3.4 破坏形态分析

4.4 本章小结

5 不同加卸载速率条件下砂岩能量演化特征试验研究

5.1 引言

5.2 不同加载速率条件下砂岩能量演化规律

5.3 不同卸载速率条件下砂岩能量演化规律

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的研究成果及结论

6.2 创新点

6.3 后续研究工作及展望

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. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

D. 学位论文数据集

致谢