锚固层状页岩拉剪破裂力学特性与损伤演化机制

来源 :周超彪 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong518
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相应地,在实际工程中由岩石的破裂特点与受力特性,常将岩石的破坏模式分为张拉破坏、压剪复合破坏、拉剪复合破坏三种。普遍认为,拉应力存在于岩石边坡中。同时,又考虑到节理岩体广泛存在于自然界,薄弱层理面对岩石的强度及稳定性有较大影响,张剪复合破坏多发生于层状岩体,表明研究锚固节理岩体在拉剪应力状态下的机理意义重大。本文利用自主设计的拉剪辅助装置,设计不同法向应力条件下的加锚岩体拉剪试验。同时利用声发射技术对岩石拉剪破裂的力学特性以及损伤演化机制展开研究,并与压剪试验结果进行对比分析。主要研究结果如下所示:(1)通过自主设计拉剪辅助装置开展拉剪试验,得到了锚固岩体的变形、强度、破裂面等性质,并分析岩体与锚杆的拉剪复合作用机理。试验分析表明:拉剪装置能够较好地开展拉剪试验。峰值强度对法向受拉更为敏感,Hoek-Brown屈服准则能够很好地表征全应力区的强度特征。拉剪岩样峰后快速分离,与压剪岩样峰后剪切波动相比,脆性特征显著。加锚拉剪岩样历经岩石与锚杆两次屈服,出现多次损伤跃增,峰后仅由锚杆受拉抗剪提供残余应力。(2)岩石破裂面的形貌特征与法向应力的方向以及大小密切相关。分形维数D及粗糙度系数Rs与法向应力呈正相关关系,法向受拉破裂面的粗糙度及破碎程度均小于法向受压。压剪岩样微裂隙沿多个方向扩展,产生沿层理或穿层理的剪切断裂,损伤曲线呈“S”形,为延性破坏。拉剪岩样微裂隙沿层理面延伸,产生顺层理沿晶断裂,曲线呈“J”形,为脆性破坏。加锚拉剪岩样破裂面磨损程度减轻,断口处剪切破碎带明显弱化,曲线为“J”形与“S”形的复合状态,破坏模式由“脆性”转变为“延性”。(3)基于声发射信号及其衍生参数表征的岩石损伤程度及演化规律等参数,对岩体损伤演化划分不同的阶段,推导量化岩石损伤的模型,并提出岩石损伤破坏的前兆预测指标。分析结果表明:拉剪和压剪试验的初始阶段均损伤轻微,属于AE信号的平静期,其持续时间随法向应力增大而变长。拉剪试验曲线各阶段所需时间更短,损伤破坏的速率更快。拉剪岩样声发射参数表征的损伤程度小于压剪岩样,加锚前后拉剪曲线归一化损伤由单调递增、增长速率持续增加转变为阶梯式增长、峰值应力点增长速率趋于零的状态。(4)损伤模型能够描述拉压全应力区岩石损伤程度随时间的演化历程。AE b值在岩石破坏前呈某一量值区间波动变化,破坏时持续减小;应力-位移曲线?cd临界点以及变形曲线峰前耗散能Ud存在多个缓慢减小段,以上可共同作为岩石破坏的前兆预警。与此同时,各阶段剪应力临界点?cc、?ci及?cd与AE参数表征的岩石损伤过程相一致,能够从宏观应力变化及微细观裂纹扩展演化两方面综合评价岩石的损伤演化机理。
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