不同静水应力和Lode角对砂岩损伤破裂特性影响的实验研究

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近年来,随着大量深部岩体开挖工程建设的展开,高地应力问题不断显现,使得相关领域的专家学者对深部岩体开挖过程中围岩的稳定性问题给予了高度重视。对此,本文以砂岩为研究对象,利用自主研制的“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的加卸载实验,重点探讨了不同初始静水应力和不同Lode角对砂岩的力学特性、声发射特征、裂纹扩展特征以及能量演化规律的影响,对深入研究岩石的损伤破裂特性有重要的价值。主要研究成果如下:(1)开展了不同初始静水应力和Lode角条件下砂岩力学特性的实验。在砂岩破坏过程中,三个主应力方向的应变压缩量或膨胀量均增大,且随着偏应力的增加,试样的应力-应变曲线逐渐脱离线性段,最终破坏时部分试样出现了扩容现象。初始静水应力的升高,可以增加各主应力方向的变形量,屈服点逐渐滞后,试样的塑性不断减弱,且砂岩破坏时的峰值强度和最小主应力显著增大,偏应力承载系数ψ随之增大,偏应力对强度的弱化作用逐渐受到抑制。随着Lode角减小,最大主应变和最小主应变分别增大、减小,砂岩扩容程度逐渐减弱甚至消失,其抗变形能力得到增强,且失稳破坏时的峰值强度显著提高。(2)结合声发射技术分析了不同初始静水应力和Lode角对砂岩损伤特性的影响。在加载前期,试样产生的声发射信号整体较弱,AF与RA分布图中信号点主要集中于局部范围;进入屈服阶段,声发射信号开始活跃,且整体向AF值减小和RA值增大的方向扩散,岩石所受的剪切破裂作用愈发明显;岩样临近失稳破坏时,能量率、振幅、AF值和RA值相继达到最大值,且有大量高幅值定位点在加载后期产生并聚集在内部局部区域,导致大量劣化带相互连接,最终试样形成贯通裂纹并发生失稳破坏。此外,随着初始静水应力升高,AF与RA分布图中信号点逐渐贴近AF轴、RA轴和零点,且RA值显著减小,试样的承载能力相应增强,剪切破裂对试样强度的弱化作用受到抑制。Lode角减小与静水应力升高时,AF值与RA值有着相似的变化特征,表明两种加载方式对砂岩的作用效果具有相似的效应。(3)结合CT重构技术分析了不同初始静水应力和不同Lode角对砂岩破裂机理的影响。在真三轴应力条件下砂岩破坏所形成的贯通破裂面主要是由剪切拉伸复合作用造成的,且两种破裂作用所形成的损伤区域在宏观尺度上有较大差异。随着静水应力升高,砂岩的塑性减弱,其破坏程度也逐渐减弱。随着Lode角减小,砂岩塑性破坏特征逐渐消失,其内部产生的主破裂面和非贯通次生裂纹的数量有所减少。(4)研究了不同初始静水应力和Lode角条件下砂岩的能量演化规律。在压密阶段和线弹性阶段,砂岩吸收的大部分能量转化为弹性应变能;进入屈服阶段,耗散能快速增加,最终达到最大值,砂岩试样达到损伤极限导致失稳破坏。随着Lode角减小,岩样在屈服阶段耗散能不断增大,能耗比的增长速率不断减小。此外,砂岩进入屈服阶段到峰值破坏期间,不同应力条件下的能耗比增量基本相同,整体保持在0.4~0.6范围内,且未受到静水应力和Lode角变化的影响,表明试样的耗散能与吸收的总能量呈正相关,可以将该区间范围视为岩石发生灾变的前兆特征。
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