准静态加载下硬岩力学特性的应变率效应研究

作     者：张圣哲 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李日运;徐荣超

授予年度：2022年

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

主      题：准静态加载 应变率 硬岩 力学特性 

摘      要：硬岩作为一种重要的工程材料,一直是国内外学者的重点研究对象,不同应变率可以很好的模拟实际施工如工程开挖,爆破振动等所造成的的荷载速率的变化。因此研究硬岩的应变率效应具有重要的工程意义。本文采用MTS815岩石力学试验系统,在准静态加载下采用10/s、5×10/s、10/s、5×10/s、10/s五级应变率研究3种硬岩的力学特性受不同应变率的影响规律,对应力门槛值确定方法提出选取建议,并提出基于峰前应力应变曲线的新脆性指标。主要得到以下认识:(1)评价现有应力门槛值确定方法,分析不同方法得出应力门槛值大小不同的原因,并对硬岩应力门槛值确定方法选取提出建议:闭合应力采用移动点回归法或裂纹体积应变法确定,起裂应力采用裂纹体积应变法或横向应变响应法确定,损伤应力采用裂纹体积应变法或移动点回归法确定。(2)分析了应变率对三种硬岩应力应变门槛值的影响,从强度和变形角度来看,应变率对砂岩影响最为显著,花岗岩次之,玄武岩最小。花岗岩的归一化损伤应力及归一化起裂应力随着应变率的增大呈现阶梯式下降趋势,砂岩的归一化损伤应力随着应变率的增大呈现阶梯式下降趋势,而归一化起裂应力及归一化闭合应力均随着应变率的增大稳定减小。玄武岩的归一化应力门槛值随着应变率的增大保持恒定。矿物成分不同是造成应力门槛值随应变率变化表现出不同趋势的根本原因,应变率的增大将导致更多小尺寸的微缺陷被激活形成局部应力集中,进而导致归一化起裂应力下降,花岗岩和砂岩其归一化起裂应力均随应变率增加而减小,玄武岩颗粒细小,且结构致密,因此应变率对其归一化应力门槛值基本无影响。花岗岩及砂岩,应变率越高,裂纹不稳定扩展阶段的相对大小越大,应变率对花岗岩和砂岩变形特性的影响主要体现在裂纹不稳定扩展阶段,应变率越高,其体积扩容现象越显著。(3)探究了应变率对三种岩石能量及基于能量的岩爆倾向性指标的影响。三种硬岩其峰前破坏全过程的总能量随着应变率的增加而增加,三种岩石其能量对应变率增加敏感度依次是:砂岩花岗岩玄武岩,与强度和变形角度反应的规律相似。根据内部裂隙发育与否将峰前破坏过程分为两个阶段,裂纹拓展阶段(Ⅰ阶段)能量要比原生裂隙闭合及弹性变形阶段(Ⅱ阶段)能量大得多,因此总能量的随应变率增加的变化规律与裂纹拓展阶段的变化规律基本相同。原生裂隙闭合所消耗耗散能较小,基本不受应变率影响,砂岩此阶段消耗耗散能波动原因在于不同试样内部裂隙分布不均,花岗岩Ⅰ阶段规律不明显原因在于其内部硬度较低矿物云母的分布会对其内部裂纹的产生造成影响,玄武岩各阶段规律性均良好,原因在于其内部结构致密以及矿物成分良好有关。基于绝对能量大小的岩爆倾向性指标与基于相对能量大小的岩爆倾向性指标评价同一类岩石岩爆倾向性差别较大,准静态加载条件下,应变率对三种岩石岩爆倾向性影响较小。(4)从原理和计算方法两方面分析了基于峰后应力应变曲线脆性指标存在的缺陷,提出了基于峰前应力应变曲线的脆性指标B,选取已有脆性指标进行对比,在围压和单轴试验验证后发现均符合客观规律,从微观角度对随着应变率增加单轴状态下岩石脆性呈现出减小的趋势进行了解释。分析旧脆性指标B存在缺陷原因,用脆性破坏强度和脆性破坏程度对应变率增加脆性指标减小做出了解释。