高水压作用下岩石单轴压缩损伤演化特征试验研究

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渗透水压作用下灰岩受力会引起孔隙分布、结构强度、声发射、红外辐射及温度等变化并显著影响其工程应用;同时,高水压环境中灰岩力学特性与损伤失稳预测一直都是重难点问题。本文借用多种监测仪器采集灰岩上述特征参数,着眼于高压渗透水环境下灰岩破坏机理与预测,综合分析获得的多种信息,并研究了渗透水作用下灰岩细观结构变化对其宏观力学特性的影响;进而对灰岩破坏机理进一步分析,建立并验证了考虑渗透水压影响的灰岩损伤演化模型。(1)在不同水压下,对灰岩试件分别进行饱水试验、质量和波速检测试验、X-衍射试验、SEM试验与声发射特性采集试验,研究了试件微观、细观与宏观现象变化规律;结果表明灰岩微观、细观结构改变对宏观力学特性变化有显著影响。(2)分别进行单一渗透水压、轴压与渗透水压联合作用下岩石单轴压缩试验,对灰岩力学特性、声发射特性进行分析;发现不同渗透水压作用下灰岩应力-应变曲线呈四阶段发展规律,随渗透水压的增大,试件压密段极限应变逐渐增加、弹性模量及峰值应力减小;声发射振铃计数与能量活跃阶段趋向于小应力,并且其累计值逐渐增加。在轴压与渗透水压联合作用下,随轴压力的提高岩样应力、裂隙及声发射特征参数具有类似规律,但有轴压作用时试件水-岩溶蚀明显,质量损失更大。(3)借助红外热成像仪进行不同渗透水压力下灰岩加载试验,对比分析不同渗透水压下灰岩单轴加载过程中声发射振铃计数与平均红外辐射温度(AIRT)演化特征。注水岩样AIRT-应变曲线和应力-应变曲线演化趋势相似,随应力增加AIRT呈不断上升趋势;同时,由试件红外辐射热成像图可更好地了解荷载作用下试件破坏发展过程,随应力增加试件经历低温—升温—高温异常点—高温异常面—试件破坏,试件失稳破坏前异常现象明显,可作为试件失稳前兆判据。(4)在Weibull分布的岩石损伤统计本构模型中引入渗透水溶蚀参数,基于渗透水压作用下岩石单轴压缩力学特性,探讨渗透水压与岩石强度参数间的关系,从而建立了适用于不同渗透水压作用下的灰岩单轴压缩损伤软化本构模型。基于断裂力学理论并结合岩石内部微裂缝受力状态,建立了适用于不同渗透水压作用下灰岩单轴压缩损伤阈值预测方程;该方程能够很好的预测不同渗透水压下岩石受力与变形,实验结果和预测结果的对比证明了该模型的合理性。
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