文摘

研究初始卸荷破坏的影响砂岩的力学性能,重复加载试验卸载破坏8砂岩进行了考虑初始卸荷量的100%,93.33%,86.67%,80%,73.33%,66.67%,40%,0%。结果与三轴压缩试验的完整的样品。结果表明,完整的样品的峰值强度高于卸载破坏样品,和卸货时更明显的差异数量超过80%。在卸货过程中,岩石样本的应变增长率明显,和横向扩张显著,变形模量和抗压强度的岩石样本明显恶化。从能源的角度来看,卸荷损伤越大,储存的弹性应变能越小,从而导致峰值强度的降低。目前,岩石样本内的卸货骨折了,和样品的失效模式逐渐改变压缩剪切破坏拉伸剪切破坏。工程岩体开挖过程中,卸货区和卸载破坏的岩体是一个动态调整的过程。为了确保工程岩体的安全,建议确定合理的强化时间,强化区域和加固措施。

1。介绍

岩体的地质环境通常是复杂的。各种人为因素的影响下,地质构造运动、岩体的应力状态也在不断变化。进行简单的加载和卸载测试通常在测试不能反映岩体的应力状态。近年来,随着社会的发展,人类对资源的需求增长,大规模的水利持续发展。在坝基开挖的过程中,沿着开挖卸荷效应通常是方向。坝体完成时,它会显示加载的效果。在卸货过程中,它会造成无法弥补的损害的岩体对随后的加载有一定的影响。因此,它具有重要意义进行加载测试与卸荷岩体的破坏。

近年来,许多学者进行了很多研究卸荷损伤。阴和李(1),龚et al。2,刘等人。3]研究了围压卸载测试用不同的利率和修改Hoek-Brown标准公式。邱et al。4)进行卸围压试验用不同的初始伤害度,并提出了两个新的卸载力学描述参数:压力封闭压力增加率和均匀围压下降。霍et al。5),刘等人。6,刘等人。7)进行卸载测试泥岩、原煤和花岗岩在不同卸荷路径。他们分析了变形破坏和恶化的影响,在卸货过程中强度和强度参数。李等人。8和王et al。9]分析了应力-应变曲线和故障特征并提出了弹性脆性塑料力学模型考虑卸荷状态。Apollaro et al。10),塔林et al。11],Alt-Epping et al。12卸货)进行了一系列的测试。结果表明,卸货导致不可逆转的损伤岩石,和其降解效果有一个渐进的发展趋势随着卸荷量的增加。胡锦涛et al。(13钟),et al。14)、镍和徐15,刘等人。16)使用FLAC和其他软件来分析岩石的卸荷对强度的影响在取心样品。取芯方法提出了减少损伤的岩石样本抽样的过程。朱et al。17和马等。18]研究了岩石样本有不同的初始伤害从动力学的角度。他们得到的结论是,初始伤害越大,孔隙度越大的岩石样本。基于之前的研究基础上,李et al。19江,et al。20.),和赵et al。21]卸载失败过程分为三种类型,从能源的角度来看:损伤弱化阶段,破坏稳定发展阶段,和损伤加速发展阶段。基于现有的各向同性损伤本构理论和连续损伤力学方法,Chen等人。22),罗et al。23李,et al。24王,et al。25)建立了一个三维各向同性损伤模型的岩石和分析了单轴抗压强度的变化规律拟合公式,泊松比等力学参数,初始损伤。戴et al。26)进行了不同围压下的三轴加载和卸载测试。基于能量耗散的变化和割线模量在变形,两个损伤变量定义。邱et al。27)进行了prepeak卸载测试大理石,并提议不可逆应变,稳定的损伤变形,不稳定的损伤变形用于定义损伤变量。Zhang et al。28]介绍了围压卸载系数来描述损伤演化特征卸荷状态下的力学性能。王等人。29日]分析了受损的岩体的加固措施通过测试数据和研究了加固岩体的力学性能。Yu et al。30.]研究了渗透压的影响与不同的层理砂岩的力学性能下降的角度,建立了相应的本构模型。杨et al。31日]研究卸荷岩体的加固方法。与此同时,他提出了一个本构模型考虑到加固效果。

许多学者奠定了良好的基础的深入了解岩体的力学性能。在实际工程中,岩体的大多数包含某些损害,受损,有的甚至已经接近失败,几乎没有研究这部分岩体的力学性能。基于之前的研究,岩石样本的加载测试与不同的初始伤害,和岩石样品的力学性能在不同初始卸荷损伤条件下进行了研究。研究结果对基坑工程有一定的参考价值。

2。样品制备和测试计划

2.1。样品制备

本文选择在三峡库区典型砂岩为研究对象。岩石样本后被从网站,钻井样品制成标准样品50 mm直径×100毫米高度,如图1。同时,测试是rmt - 150 c进行岩石力学试验系统,如图2。

2.2。测试计划

不同的损伤程度是由卸货数量如下(32]: 在哪里是初始围压。我们结合了当地的地应力条件和测试计划在文献[32),它是作为20 MPa;在失败,围压值12.5 MPa在这个测试;围压值,当卸载年级吗我。12.5 MPa, 13 MPa, 13.5 MPa, 14 MPa, 15 MPa, 17 MPa,和20 MPa在该测试中,和相应的卸货量是100%,93.33%,86.67%,80%,73.33%,66.67%,40%,0%。

应力路径如图3。初始围压是20 MPa, 75%的峰值强度的轴向应力水平选择卸载点。卸货后卸载水平不同,轴向压力增加,样品都测试。

具体的测试步骤如下:(1)在水压加载阶段,围压和轴向压力加载20 MPa的静水压力。(2)在轴向应力加载阶段,采用应力控制的方法和轴向压力应用于初始卸载点。本文最终失效强度的75%。(3)在卸围压阶段,当轴向压力到达卸货点,轴向应力不变,和围压逐渐降低到一个预先确定的值,和不同初始卸荷破坏是应用于岩石样本。(4)重复的轴向应力加载阶段,围压保持不变和轴向压力增加,直到试样破坏。(5)另一组的岩石是采集样本进行三轴压缩试验应力-应变曲线不同的围压下,直到进入稳定的残余阶段,然后,我们取出样品。峰值强度和残余强度的三轴压缩试验得到,他们的测试结果与不同初始卸荷损伤岩石样本。

3所示。结果与讨论

3.1。应力-应变曲线特征分析

岩石的应力-应变曲线和样品不同卸荷损伤图所示4的应力-应变曲线对应的围压下的三轴压缩试验在图所示5。

从数据4和5,可以看出(1)三轴加载下的应力-应变曲线的形状基本上是相同的,可以分为压实阶段,弹性阶段、屈服阶段,postpeak软化阶段,残余强度阶段。在弹性阶段,应力-应变曲线的斜坡上不同的岩石样本大致相等,和岩石样品的弹性模量近似相同,这表明所选样本不分散。样品阶段短,收益率和postpeak压力迅速下降,从而表现出砂岩的脆性特征。随着围压的增加,峰值强度和残余强度逐渐增加。(3)与三轴压缩试验相比,两组的测试曲线基本上是相同的轴向压缩加载阶段。在围压卸载阶段,损坏的轴向应变岩石样本将增加在某种程度上,和卸货量越大,轴向应变的增量越大,反映一个弧坡率低的应力-应变曲线。指出卸货量越大,试样的峰值强度越小。

3.2。应变分析围压合规在卸载阶段

分析卸围压量的影响在轴向应变增量在卸货过程中,介绍了应变围压合规(33]。的概念应变增量的比例是卸货吗和围压卸荷量在起点和终点之间的围压: 在哪里代表了应变围压合规,这是造成的应变增量单元围压卸荷量。应变围压值越大合规、卸荷的影响越明显的轴向应变。

取轴向应变增量和围压卸荷量对应的起始和结束点卸载阶段,我们计算出轴向应变合规在不同围压卸荷量根据方程(2轴向应变之间的关系)和画围压遵从性和卸货数量,如图6和表1。

从图可以看出6和表1那(1)卸货量的影响的轴向应变围压合规岩石样本是显著的。随着卸荷量的增加,轴向应变围压合规逐渐增加。卸货量小于80%时,轴向应变的增加围压遵从性是缓慢的。卸货量超过80%时,轴向应变围压遵从性迅速增加,这是一个非线性突变阶段。(2)卸货量从40%增加到100%时,轴向应变的平均值围压合规的样品是0.068×10⁻³,0.083×10⁻³,0.096×10⁻³,0.122×10⁻³,0.151×10⁻³,0.192×10⁻³和0.337×10⁻³不同卸荷条件下。卸货量从0%增加到80%时,轴向应变围压遵从性变化缓慢,平均增加0.054×10⁻³。卸货量从80%增加到100%时,轴向应变围压遵从性表现出非线性突变阶段0.215×10的增量⁻³。卸货量高于80%时,轴向应变围压合规对应于故障点明显变大。

3.3。强度参数分析

3.3.1。峰值强度分析

在重复加载阶段,也可以看到卸货造成的损害不同卸荷量是不同的。偏应力与围压之间的关系的三轴试验与不同的初始伤害计算岩石样本,和图7是画的。

从图可以看出7那(1)在不同围压下,峰值强度的常规三轴压缩试验岩石样本是线性拟合,而曲线峰值强度的岩石样本不同卸荷损伤和围压大约是弧形曲线。卸货量为0时,峰值强度为219.96 MPa(没有卸荷损伤)。,卸货数量越小(卸荷损伤程度越小),更好的两条曲线的巧合,这表明卸荷损伤几乎没有影响的峰值强度岩石样本。卸货量越大(卸荷损伤程度越大),两条曲线之间的差异越大,这表明卸载破坏的影响程度上的峰值强度岩石样品更加明显。(2)卸货量从40%增加到100%时,卸荷破坏岩石样品的峰值强度从204.72 MPa减少到167.12 MPa和常规三轴压缩试样对应的从209.62 MPa围压降低到191.28 MPa,相应减少2.34%到12.63%。两组数据相比,卸货量小于80%时,峰值强度的差异很小。卸货量高于80%时,卸荷破坏岩石样本的峰值强度急剧降低,和峰值强度的差异之间的两组岩石样本明显增加。

3.3.2。卸荷损伤退化因素分析

与完整岩石试样相比,卸荷破坏岩石样品的峰值强度低于相同围压下的常规三轴压缩试验,而峰值强度降低了,导致某些伤害恶化效果。分析峰值强度的破坏效果,卸荷破坏恶化因素定义如下: 在哪里是卸荷破坏岩石的峰值强度样本吗是三轴压缩试验的峰值强度相同围压作用下岩石样本。卸荷损伤退化因素是越大,越大破坏效果。

同时,卸荷破坏恶化因素是设置为卸货量的函数。根据图中的数据7,卸荷破坏恶化因素是装有卸货数量,如图8。

从图可以看出8随着卸荷量的增加,卸荷破坏恶化因素逐渐增加,而最小值为0时,卸载量为0%,最大值是当卸货量是100%。因子和围压卸荷破坏恶化显示指数增长的趋势。当卸货量小于80% (D< 0.4),卸载破坏恶化的变化因素是相对温和的。当卸货量从80%增加到100% (D≥0.4),卸载破坏恶化因素显示了一个快速增长的趋势。

3.4。在卸载阶段和重复加载阶段变形模量分析

岩石样本在卸载阶段的变形模量计算和绘制如图9和表2。

图9和表2表明,岩石的变形模量样本约23 GPa在卸货之前,这表明所选样本小色散。在卸货过程中,与卸荷量的增加,样品的变形模量逐渐减少,显示的趋势放缓,然后浸泡。当卸货量是40%,66.67%,73.33%,减少变形模量的范围是1.00%,2.13%和3.22%,平均变形模量的变化范围是2.12%。当卸货量为80%,86.67%,93.33%,和100%,样品的变形模量降低突然在卸货过程中。与卸荷量的增加,样品的变形模量大幅减少。减少的范围是5.69%,9.05%,12.24%,12.29%和22.17%,平均价值。这意味着,在卸载阶段,卸荷量的增加,变形模量的下降趋势更明显。

3.5。轴向应变能量密度在卸载和重复加载阶段的分析

3.5.1。能量计算原理

考虑岩体的变形元素在外力的作用下,假设之间没有热量交换的标本和外部整个测试过程。外力做的功总输入能量,这被定义为(34根据能量守恒的原则: 在哪里能源消耗的岩石和吗由岩石弹性应变能释放。

图10显示了岩石的应力-应变曲线。代表岩石的弹性模量。岩石的损伤和变形引起的能源消耗的岩石。耗散的能量是一个不可逆过程,但能量的释放和吸收是可逆的,只要某些条件得到满足。

因此,总能量吸收的岩体可以表示如下(34]: 在哪里轴向主应力和吗轴向应变。

3.5.2。卸载对轴向应变能密度的影响

方程(5)是用来计算做的功试验机的单位体积岩石样本。我们画出图11。试验机不能测量试样的横向位移。因此,第二个加载过程的能量密度计算,称为轴向应变能密度,如图12。

从图可以看出11那(1)与初始卸荷的增加,轴向应变能密度逐渐降低。初始卸荷量小于80%时,轴向应变能密度线性降低。当初始卸荷量大于80%,卸荷破坏岩石的轴向应变能密度样品急剧减少,曲线提出了一种非线性突变阶段,这表明轴向应变能密度有很大的损失。(2)初始卸荷量为0%时,试样的轴向应变能密度是120.45 kJ·m⁻³。当初始卸荷量小于80%,能量密度变化了88.23 kJ·m⁻³。最初的卸货量超过80%时,能量密度降低了35.65 kJ·m⁻³。(3)原因是,当初始卸荷量小于80% (D< 0.4)、裂缝岩石样本还没有完全开发,卸荷损伤很小,和岩石仍然可以储存能源。因此,所做的功试验机在岩石上样本存储在弹性势能的形式。当初始卸荷量大于80% (D≥0.4),岩石的裂缝更频繁。这时,岩石的弹性势能存储在急剧减少和岩石样本被摧毁只有小试验机做的功。

定量分析的影响卸货数量在样品的最终存储能量,能量损失的程度在卸货过程中反复加载过程被定义为恶化程度。其中,能量密度的样本之间的差异与不同卸荷量与样本有0%卸货数量记录为总恶化程度(35]。能量密度的差异相邻卸货记录样本退化程度的阶段(35]。而且,我们量化这一个百分比的形式: 在哪里卸货量时的能量密度是0%是岩石样本的能量密度与不同的卸货量。

总恶化程度的变化曲线和舞台恶化程度的轴向应变能量密度图所示13。

从图可以看出13那(1)在卸货过程中,与卸荷量的增加,总体恶化程度的岩石样品的轴向应变能密度逐渐增加,降解法是一致的,它显示了一个线性改变,然后改变成一个突然的规则。此外,当卸货量小于80%,总量的变化趋势恶化程度的轴向应变能密度与峰值强度法是一致的。在那之后,能量密度的恶化趋势突然增加。相比之下,与卸荷量的增加,岩石的损伤程度样品较高和能量密度的变化趋势比较明显。(2)在卸货过程中,岩石样本的恶化程度的不均匀性在能量密度阶段是显而易见的。不同的卸货量条件下,卸货量小于80%时,舞台恶化程度的轴向应变能密度是35.0%,这显然更小。卸货量大于80%时,舞台上的恶化趋势恶化程度明显增加,这是35.0% - -100%。一般来说,舞台恶化程度增加而卸货数量的增加,这表明卸货的卸荷损伤作用岩石样本数量正逐渐加强。(3)比较能量密度的总降解程度曲线退化程度与阶段,可以看出这种变化是线性的或温柔当卸货量小于80%,大幅增加当卸货量大于80%。同时,舞台的增长趋势恶化程度更加明显。这表明,卸荷量的增加,特别是当卸货数量超过80%,能量密度的变化率也逐渐加快。卸货量小于80%时,能量密度损失很小。(4)它可以得出的结论是,什么时候年代< 0.35,没有新的裂缝岩石样本或新裂缝的数量很小,所以岩石样品的损伤程度较低。因此,峰值强度的差异和卸荷损伤样本之间的完整示例很小。压力封闭压力遵从性和变形模量趋于稳定。当年代≥0.35,变形模量和应变围压合规的岩石样本的非线性突变阶段有一个陡坡。结果表明,试样的峰值强度急剧降低,和更多的新裂缝形成的内部标本在卸货期间,和损伤程度很大。

3.5.3。轴向应变能密度对力学参数的影响

本节主要讨论了轴向应变能密度与力学参数之间的相关性的砂岩在卸货。在这方面,轴向应变能量密度之间的关系和砂岩的峰值强度标本在不同卸荷量,如图14。

从图14,可以发现,轴向应变能量密度和峰强度呈现线性变化。当样品中储存的弹性应变能是0∼120.45 kJ·m⁻³,样品的峰值强度为167.12 MPa∼219.96 MPa。他们之间有正相关。这条规则是合理的,因为他们都是线性相关卸货数量和有一个突然的变化在80%。换句话说,前80%的卸货数量,样品的内部裂纹发展不明显和示例可以存储更多的弹性能量。因此,试验机摧毁示例需要做更多的工作;因此,峰值强度比较大。卸货量超过80%时,许多通过裂缝形成的样本和裂缝发展完成。中存储的弹性能量样本急剧减少,和试验机的标本可以毁灭,只有少量的工作。的峰值强度标本将急剧下降。

3.6。失效模式的岩石样品的分析

进一步分析卸载破坏的影响砂岩的特点,岩石样本的故障模式进行了分析。由于空间限制,只列出了典型的局部损坏的照片。失败图和骨折的常规三轴压缩试验中一些典型的岩石样本如图所示(15日)和一些典型的岩石样本不同初始卸荷损伤图所示15 (b)。

从图15,可以看出(1)在常规三轴压缩试验,断裂模式标本的剪切破坏通常只有一个断裂表面。在卸载破坏岩石样本,当卸载量很小(年代< 0.35),通常只有一个断裂表面。当卸荷量大(年代≥0.35),大量的二次拉伸裂缝产生。(2)在卸货过程中,有许多拉伸微裂隙的岩石样本。所以,在随后的加载过程中,二次拉伸裂缝形成两岸的岩石样本时剪切面损坏。当卸荷量大(年代≥0.35),标本更容易断裂和失败的程度也相对强劲,和拉伸试样主要发生剪切破坏。这一点也可以看到在测试过程中,特别是当卸货数量大(年代≥0.35)。岩石样本突然失去了力量,脆断裂的声音可以听到在失败,这也表明岩石样本有一个相对强劲的脆性破坏。(3)岩石样品的失效模式与不同卸荷损伤量也不同。当卸货量小于80% (年代< 0.35),卸货数量的减少,拉伸裂纹的试样逐渐减少,从拉伸剪切破坏和标本的变化压缩剪切破坏。宏观破坏面是一个单一剪切破坏表面,和失效模式是一样的常规三轴压缩试验。当卸货量大于80%(Δ年代≥0.35),有轴向拉伸断口表面,二次共轭剪切面,主表面共轭剪切和拉伸断口表面产生。各种各样的拉伸断裂是发育良好,沿着卸荷方向的膨胀是显而易见的。标本显示了拉伸剪切破坏,有一定数量的轴向裂纹的标本。

4所示。结论

本文对标本进行三轴压缩试验和不同初始卸荷损伤,并与完整标本的结果进行了对比。我们得出以下结论:(1)卸货量的影响在轴向应变围压合规的岩石样本是显著的。之间存在正相关关系,变形时更明显卸货数量超过80%。(2)卸荷损伤退化的因素D分析卸荷损伤定义。当D< 0.4,应变围压卸载的遵从性和变形模量损伤样本趋于稳定,峰值强度并不是不同于完整的样品。当D≥0.4,变形模量和强度迅速降低,峰值应变围压合规急剧增加。(3)有一个积极的轴向应变能密度之间的线性相关性和峰值强度。弹性能量越大,峰值强度越高。(4)分析了失效模式系统地从能量的角度,和退化程度Δ年代在轴向应变能密度= 0.35阶段的分界线。当Δ年代< 0.35,标本主要压缩剪切破坏和宏观破坏面是一个单一剪切破坏表面。当Δ年代≥0.35,试样的膨胀特性明显,这表明拉伸剪切破坏。

数据可用性

测试数据都包含在本文中,可以免费提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(U1965109号、51809151和51679128),由中国三峡大学研究基金会优秀论文(没有。2020 bspy006)。