循环加载条件下岩石节理剪切破坏力学及声发射特性研究

作     者：刘尧辉 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘涌江;黄明奎

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：岩石节理 声发射技术 监测预警 PFC2D 

摘      要：在岩土工程领域,由于自然因素或者人类活动引起的循环荷载相比于静态荷载更容易诱发结构失稳破坏,特别是对于由于地质运动或施工作业导致预先存在节理等不稳定结构面的岩土结构。已有的研究通常集中于完整岩石受荷过程的力学特性分析,难以精确了解岩土结构在循环过程中损伤发展以及进行岩石工程失稳监测预警。声发射技术由于其在评估材料损伤演化和结构破坏监测预警方面的优势,在力学试验中辅以声发射监测能够让我们更全面的了解岩土材料在循环荷载作用下的损伤演化,对于评估岩土工程使用寿命以及对在役结构失稳预警具有重要意义。因此,本文基于岩石力学、声发射技术理论,采用室内试验和数值模拟相结合的研究方法,对受循环剪切作用下的岩石节理的损伤演化、强度演化以及岩石节理剪切破坏的声发射先兆信息等方面进行探索和分析,研究结果为评估岩土结构使用寿命以及岩质边坡滑坡灾害监测预警提供一定参考。本文主要研究内容和成果如下:(1)通过水刀切割原岩制作岩石节理试样开展室内直剪试验,试验结果表明,试样变形破坏模式受正应力与一阶起伏角共同影响。在不同的变形破坏模式基础上,开展岩石节理峰前循环剪切试验,分析了循环加载次数对岩石节理损伤特性的影响,根据循环过程中岩石节理累积变形和声发射释放规律可知在循环剪切加载条件下岩石节理的损伤发展速率随循环次数增加先快后慢,并且这种演化进程受岩石节理变形特性的影响,爬坡破坏模式岩石节理仅在加载初期存在明显的损伤累积,随后的循环加载基本不会使节理面产生新的损伤,其余两种岩石节理则随循环次数增加,节理面累积损伤越明显。(2)通过试验全过程声发射监测发现,声发射技术具有足够的精度监测岩石节理循环剪切过程,岩石节理破坏越剧烈,声发射能量释放越明显,同时基于地震学的动态声发射b值具有岩石破坏监测预警的能力。岩石节理循环加载再现了岩石材料声发射记忆效应,但这种记忆效应与通常在岩石压缩试验中的结果不同,并且会影响通过声发射技术进行岩石破坏的监测预警。(3)采用颗粒流软件(PFC)开展数值模拟研究,通过加载过程中裂纹演化以及能量释放规律,进一步从细观角度分析了不同变形模式岩石节理损伤累积进程和声发射特性,数值模拟结果表明临近破坏时声发射存在再激活现象,这种现象同样具有岩石破坏监测预警的能力。在此基础进一步探讨了正应力和一阶起伏角角度对岩石损伤累积进程的影响,研究表明,较高的一阶起伏角在一定程度上会增加岩石节理承受循环剪切的能力,正应力的提高则会显著降低这种能力。(4)结合室内试验和数值模拟结果探讨了先期循环剪切对岩石节理直剪力学和变形特性的影响,在剪切强度方面,承受先期循环剪切的岩石节理剪切强度的演化趋势受岩石节理的变形特性影响,先期循环加载基本不会降低爬坡破坏模式岩石节理的剪切强度,其余两种破坏模式下岩石节理的剪切强度随循环加载逐渐降低。同时先期循环加载不会影响岩石节理破坏后的残余强度,并且少量的先期循环加载便倾向于导致岩石节理在更小的剪切位移下发生破坏。