学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

岩石劈裂试验、单轴压缩和直接拉伸变形特性的实验研究

作　者: 吴永胜
导　师: 余贤斌
学　校: 昆明理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 岩石直接拉伸劈裂循环加载加载路径变形模量泊松比破坏机理
分类号: TU452
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 164次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

众所周知,岩石在大多数情况下承受的是压应力而不是拉应力,因此,在岩石力学工程实践中,岩石变形参数和本构关系都来自于压缩试验。然而,一些研究者的研究成果已经表明,不少岩石的拉伸模量远小于压缩模量。对于这类岩石,如果继续沿用仅考虑压缩应力状态或者压缩与拉伸模量相同的岩石力学模型和破坏准则,已不能完全满足实际工程的需要。这种传统做法将给岩石工程设计和计算带来较大误差。迄今为止,关于压缩、拉伸和劈裂间的变形规律的研究很少。压缩与拉伸下的岩石本构关系和破坏准则也很不完善,仅停留在简单的“双线弹性”模型。解决这些矛盾迫切需要进行压缩、拉伸与劈裂下变形特性的深入研究。本文利用昆明理工大学自行研制的压-拉转换装置,能够在同一试件上实现压缩与拉伸间循环加载。通过该测试系统,进行了压缩、拉伸和劈裂的单向和循环加载试验,研究了不同加载方向、不同加载路径、不同岩石种类的单轴和劈裂受载变形特性,并从损伤的角度对岩石的破坏形式进行了描述和分析,进一步刻画了单轴受载作用下岩石的性能劣化过程和演变机制,简要揭示了岩石单轴受载破坏的微观机理。试验结果发现：大红山岩石劈裂试验条件下压缩变形模量ECP和拉伸变形模量ETP的数值相差不大,A、B两组岩石ECP与ETP平均值之比分别为1.04和1.02。两组岩石单轴压缩变形模量EC和直接拉伸变形模量ET的数值也大体相当,EC与ET平均值之比分别为1.024和1.044。重庆砂岩的试验结果则有很大不同。劈裂试验所获得的压缩变形模量ECP比拉伸变形模量ETP大得多,ECP与ETP之比在1.96至5.88之间,平均值等于3.16。单轴压缩变形模量EC也远大于直接拉伸变形模量ET,EC与ET平均值之比为3.276。由此可知,大红山A、B两组岩石劈裂试验所获得的压缩与拉伸变形模量之比,EPC/ETP和压拉循环加载过程中所获得的压缩与拉伸变形模量平均值之比,EC/ET,在数值上相差不大,分别为1.02、0.97,可以认为是相等的。重庆砂岩则的情况也类似,二者之比为0.97。这说明,从劈裂试验的结果来计算岩石的变形参数,与单轴压缩与直接拉伸的结果基本一致。考虑到劈裂试验较为简单,使用这种试验来获得岩石的拉伸变形参数,是一个简单易行的办法。由循环加载试验的结果还可发现,大红山两种岩石在单轴压缩和直接拉伸下的变形都基本为线弹性的。重庆砂岩表现出不同的变形特性：在压缩阶段变形基本为弹性,拉伸作用下则为塑性的。对大红山A、B两种岩石劈裂拉伸、单轴压缩和直接拉伸下的变形曲线进行比较,劈裂拉伸变形曲线与单轴压缩变形曲线一样,经历了线性变形阶段、线弹性变形阶段、裂隙稳定发展阶段和破坏四个阶段,两类岩石在三种加载方式下的变形曲线均以线弹性为主。劈裂循环加载试验过程中,压缩和拉伸变形曲线同时发展,且随着循环次数的演化趋势是相似的。每次加卸载变形曲线的初始弹模也大体相同。裂隙的产生对压缩和拉伸变形曲线都会产生影响,当裂隙不足以使试件破坏时,变形曲线能恢复到裂隙产生之前的发展趋势,变形模量等变形参数都未受到影响。随着循环加载极限应力水平的提高,劈裂循环加载下岩石压缩和拉伸的加卸载平均变形模量呈相反的发展趋势。压缩加载和卸载变形模量随极限应力水平的提高略微增加,拉伸加载和卸载变形模量则逐级减小。当循环加载应力达到前一次循环加载的最大应力时,部分岩石在拉伸和压缩状态下均表现出不同程度的塑性变形,其循环加载变形曲线的外包络线不能很好连接、呈错落状,拉伸状态下产生的塑性变形比压缩状态更大。这种现象在岩石出现较大裂隙试时尤为突出,说明裂隙产生、发展与横向变形的密切关系。岩石的压缩和拉伸似乎并不是截然不同的两个过程,压、拉组合下的循环加载循环加载实验中,压缩或拉伸卸载曲线与后续的拉伸或压缩加载曲线具有很好的连续性,这两个阶段的变形曲线是连续且光滑过渡的。劈裂循环加载实验中每次循环的压缩加卸载变形曲线和拉伸加卸载变形曲线初始变形模量大体相似。岩石的损伤破坏过程伴随着外加能量在岩石内部的分配和消散,破坏裂隙的数量和形式取决于岩石在外载作用下的响应以及能量的分配机制。其微观扩展机理表现在宏观变形上就是初始阶段、稳定阶段和加速阶段的三阶段发展规律。

全文目录

符号说明  3-4
摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-24
  1.1 岩石变形问题概述  10-11
    1.1.1 岩石变形理论研究进展  10-11
    1.1.2 岩土工程领域中的岩石变形问题  11
  1.2 岩石变形问题研究的选题背景和意义  11-14
  1.3 岩石变形问题的研究状况  14-20
    1.3.1 单轴拉伸和压缩下岩石变形特性的研究进展  15-19
    1.3.2 岩石直接拉伸下变形特性研究中的不足  19-20
  1.4 本文的主要研究内容和创新点  20-22
  1.5 研究的技术路线  22-24
第二章试件概况及实验方法条件  24-34
  2.1 试件概况  24-28
    2.1.1 采样、加工与筛选  24-26
    2.1.2 岩矿描述与分析  26-28
  2.2 岩石力学实验系统  28-34
    2.2.1 岩石试验测试系统  28
    2.2.2 试验系统的组成及功能  28-30
    2.2.3 岩石直接拉伸实验装置  30-32
    2.2.4 数据采集系统  32-34
第三章实验系统可靠性验证与实验方法  34-39
  3.1 系统标定  34-37
    3.1.1 等强度梁原理  34-35
    3.1.2 应变、应力标定  35-37
    3.1.3 标定的线性回归及修正系数  37
  3.2 实验方法和步骤  37-39
    3.2.1 试验方法  37-38
    3.2.2 试验具体操作步骤  38
    3.2.3 试验面临的主要问题  38-39
第四章单轴荷载作用下岩石变形特性  39-66
  4.1 单轴压缩与拉伸作用下岩石变形的实验研究  40-46
    4.1.1 岩石单轴压缩实验的变形特性  40-44
    4.1.2 岩石直接拉伸实验的变形特性  44-46
  4.2 岩石拉、压单循环变形特性的实验研究  46-50
    4.2.1 拉、压单循环实验中岩石变形曲线的变化  46-48
    4.2.2 压、拉单循环实验中岩石变形参数的变化  48-50
  4.3 单轴循环加载作用下岩石变形的实验研究  50-57
    4.3.1 岩石压缩下的循环加载试验  51-53
    4.3.2 岩石压—拉循环加载试验  53-55
    4.3.3 岩石拉—压循环加载试验  55-57
  4.4 不同加载方式和载荷水平对岩石变形参数的影响  57-60
  4.5 岩石单轴受载过程中的非弹性变形  60-64
    4.5.1 岩石压—拉循环加载试验的弹塑性分析  61-62
    4.5.2 岩石拉—压循环加载试验的弹塑性分析  62-64
  本章小结  64-66
第五章岩石劈裂拉伸作用下变形特性  66-78
  5.1 岩石劈裂变形试验  66-75
    5.1.1 岩石劈裂变形特性的试验研究  66-71
    5.1.2 岩石劈裂循环加载试验  71-75
  5.2 岩石劈裂循环加载试验的弹塑性分析  75-76
  5.3 本章小结  76-78
第六章岩石单轴压缩、直接拉伸及劈裂作用下变形破坏机理和本构模型实验探讨  78-88
  6.1 岩石的破坏形式  78-82
    6.1.1 单轴压缩条件下岩石宏观裂隙形成及发展规律  78-80
    6.1.2 直接拉伸条件下岩石断面及破坏形式  80-81
    6.1.3 劈裂条件下岩石破裂面及裂纹形式  81-82
  6.2 岩石破坏的微观机理  82-83
    6.2.1 单轴压缩条件下岩石的破坏机理  82-83
    6.2.2 直接拉伸条件下岩石的破坏机理  83
  6.3 压缩、拉伸及劈裂之间对比分析  83-84
  6.4 单轴压缩与拉伸作用下岩石的本构模型  84-86
  本章小结  86-88
第七章结论与展望  88-91
  7.1 结论  88-89
  7.2 展望  89-91
参考文献  91-95
致谢  95-96
附录A 攻读硕士学位期间公开发表的论文及参研项目  96

岩石劈裂试验、单轴压缩和直接拉伸变形特性的实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文