孔隙水压作用下损伤砂岩破坏特性及能量演化规律的试验研究

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随着国民经济建设的高速发展,我国修建了许多各种大型的隧道、公路、大坝等,这些工程的安全逐渐成为人们关注点。岩石的损伤是指岩石在外界荷载的作用下其内部产生裂纹并且裂纹不断发育,从而造成岩石各项力学参数下降的一个过程。自然界中的岩石几乎都是具有不同程度的损伤,而这些损伤岩石的力学性质又是决定工程安全与否的关键所在,基于上述问题本文结合国家自然科学基金重点项目“复杂条件下库岸边坡变形破坏机理及防护(51439003)”采用室内加载-卸荷-再加载试验,以此探究应力和水压损伤过后砂岩的各项力学参数,并从能量角度出发,分析损伤岩石破坏过程的能量转化关系,采用能量耗散原理建立损伤岩石的本构演化模型。经过研究分析,得出以下几点结论:1)有水压下的损伤砂岩比饱水状态的损伤砂岩峰值强度低,这表明水压力的存在会弱化损伤砂岩的破坏强度,其它试验条件相同的情况下,水压存在的岩样小于饱和的岩样破坏时峰值应变,且水压越大,峰值应变越小,峰值应变与加载速率和水压大小符合指数函数的变化趋势。同等试验条件下,水压值越大,弹性模量则越小,加载速率越大,弹性模量也逐渐变大,而且弹性模量与水压和加载速率之间符合指数函数关系。泊松比的与水压呈正相关的关系变化,与加载速率呈负相关的变化趋势。相比同等条件无水压状态下泊松比的数值均小于有水压状态下泊松比的大小。2)饱和砂岩试样破坏时的总能量和弹性能在有无水压的条件下均随着加载速率的增加而增大,耗散能则减小。无水压条件下整个试验过程中的能量数据要大于同等条件下有水压状态的试验数据,且水压越大,这种能量差也就越大,这就说明水压对砂岩试样有一定的弱化能力。能量的产生是受外部试验条件的影响的,不同应力状态和加载速率下的岩样吸收总能量可能一样。试样在加载-卸荷过程后产生不同程度的应力损伤,损伤程度越高,总能量、弹性能、耗散能均越大,在再加载阶段试样破坏时,相应的能量均越小,这就说明能量的变化与砂岩的结构损伤保持一致。3)根据岩石内部微元体损伤强度服从Weibull统计分布理论,结合连续损伤理论和H-B强度准则,合广义胡克定律,选取岩石再加载过程中的耗散能占比为损伤变量,并依据等效原理建立水压作用下砂岩加载破坏过程中的综合损伤变量,从而推导出水压作用下饱水砂岩加载本构模型。经过验证发现该本构模型能够与试验数据组成的曲线基本吻合,可以较好地反应砂岩在水压作用下的损伤演变关系,表明了模型具有一定的合理性和可行性。
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