裂隙岩石断裂行为及失稳前兆判定试验研究

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随着矿产资源开发利用和基础设施建设发展,工程岩体断裂失稳现象越来越突出,时常威胁着人类的生命财产安全。因此,认识和控制工程岩体断裂失稳现象成为国内外学者最为关心的问题之一。本论文综合运用室内试验、理论分析和数值计算等方法,系统地探究了裂隙岩石基本力学特性与雪崩动态活动,揭示了裂隙岩石变形破坏机理,并对力学参数、裂纹扩展特征和雪崩活动规律在裂隙岩石整体失稳破坏前兆信息中的应用进行了详细分析。取得的主要成果如下:(1)得到了裂隙岩石强度变形特性和脆性表征方法。基于工程岩体稳定性影响因素,揭示了裂隙几何参数、裂隙充填状况、冻融状况、加载速率和围压对裂隙岩石力学行为的影响规律;从峰前能量耗散特征和峰后应力应变曲线形态出发,构建了考虑峰前耗散应变能、峰前总输入应变能、峰值强度、峰值应变、残余强度和残余应变的脆性特征定量评价模型,并通过压缩试验数据分析验证了其可靠性。(2)揭示了裂隙岩石变形破裂过程中裂纹起裂扩展机制。利用CT扫描和三维重构技术得到了裂隙充填状况、裂隙倾角和围压对裂隙岩石最终断裂模式的影响规律,并基于高速摄影技术阐述了裂隙岩石裂纹扩展演化过程;引入非奇异项T应力三个分量和裂纹传剪系数,对最大周向应力准则和径向剪应力准则进行了修正,发现翼裂纹和次生倾斜裂纹萌生机制与裂隙倾角、裂隙长度、裂隙尖端临界尺寸、裂纹面摩擦系数、裂纹切向刚度、岩石材料弹性模量和泊松比等有关;结合单轴和三轴压缩试验结果,详细对比了裂纹起裂角理论值与试验值,证明了裂纹起裂力学模型的合理性;通过参数敏感性分析,阐明了裂隙尖端临界尺寸和裂纹面摩擦系数对翼裂纹起裂角影响最为显著的相关关系。(3)揭示了裂隙岩石微破裂动态活动的雪崩机理。在对裂隙岩石声发射能量释放过程研究的基础上,得到了声发射信号参数演化规律,阐明了小尺度岩石材料压缩破坏遵循古登堡和里克特定律、大森-宇津定律、Productivity定律和统一定标律等规律,证明了雪崩在不同尺度上具有相似性以及雪崩在时间上满足幂律无尺度分布,揭示了裂隙存在、裂隙倾角、裂隙充填状况和围压对声发射能量幂律指数的影响规律,明确了裂隙倾角对余震频率衰减系数、Productivity指数和等候时间分布特征的影响程度,给出了声发射活跃程度定量表征方法,建立了裂纹扩展模式与声发射能量统计特征的联系。(4)提出了裂隙岩石断裂失稳前兆信息判定的方法。运用概率密度统计理论得到了应力降分布特征,揭示了裂隙岩石损伤破坏能量演化机制,结合裂隙岩石裂纹扩展特征,从力学参数变化规律方面认为应力降现象和耗散应变能陡增现象可以视为裂隙岩石整体失稳破坏前兆信息;从古登堡和里克特定律出发,提出了基于声发射能量对数的声发射活动震级指标,阐明了声发射b值演化过程和声发射能量幂律指数变化特征,从声发射雪崩效应方面指出了声发射b值显著下降现象和声发射能量幂律指数降低现象可以作为裂隙岩石整体失稳破坏前兆信息。
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