动静载荷下含预制裂隙岩石破坏实验研究

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为研究裂隙倾角对岩石力学特性、能量演化规律和声电效应以及分形特征的影响,应用RMT-150C岩石力学试验机和SHPB动力学试验台对含预制裂隙红砂岩进行了静、动态岩石破坏试验,同时利用声发射和电磁辐射监测系统采集试验过程中岩石产生的声电信号,并结合分形几何理论对岩石破碎块度的分布特征进行了研究。论文主要研究内容和结论如下:(1)通过静态单轴压缩试验,得到了裂隙砂岩与完整砂岩的应力-应变曲线变化趋势相同,可分为压密、弹性、屈服和破坏后4个阶段;随着裂隙倾角的增加,试样的抗压强度和弹性模量呈指数增长,破坏形式逐渐由剪切破坏转变为张拉破坏。(2)通过SHPB动载试验,得到了不同裂隙倾角试样的动态力学特征,试验结果表明:试样的破坏过程可分为弹性、塑形和峰后3个阶段,动态弹性模量随裂隙倾角增加而增加,动态抗压强度呈指数增长,应变率呈指数减少。(3)通过监测试样破坏过程中的声发射与电磁辐射信号,获得了静载下试样的声发射与电磁辐射特征曲线与全应力-应变曲线有着较好的一致性,声电信号在应力峰值点达到最大值;随裂隙倾角的增加,累计声发射特征值峰值呈“Z”型变化,累计电磁辐射特征值峰值呈倒“V”型变化。动载下试样的声发射信号在峰值应力点突增至最大值,电磁辐射信号的最大值出现在峰值应力点之前,声发射与电磁辐射信号特征值随裂隙倾角的增加均呈线性增长。(4)通过理论分析,得出了含预制裂隙试样静态单轴压缩过程中的能量演化分为压密、弹性、塑形和破坏后阶段4个阶段;随裂隙倾角的增加,试样应力峰值点的弹性应变能、总应变能和完全破坏点的耗散应变能呈指数增长;冲击破碎过程中,随裂隙倾角的增大,反射能占比减小,透射能占比增大,耗散能占比变化不大。(5)通过应用岩石碎块粒径分布的质量分形模型对试样破碎后的块度分布进行筛分计算,得到了静、动载作用下试样的分形维数均随裂隙倾角的增加而增加;静载作用下试样应力峰值点的弹性应变能、总应变能和完全破坏点的耗散应变能均随分形维数的增加而增加;随分形维数的增加,动载作用下试样的应变率减少,动态抗压强度、耗散能密度均增加。
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