不同应力路径下斜长花岗岩力学及声发射试验

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岩体工程在加载与卸荷条件下,其力学特征有本质的区别(哈秋舲,1998)。以往岩石力学领域的研究大多基于加载的力学条件,但在岩土工程领域,其力学本质多为卸荷,如岩质边坡、隧道及地下硐室开挖等。近年来关于岩石卸荷的研究已取得一定进展,但仍存在如下几个问题:1)对卸荷岩石的破裂机制缺乏深入研究,缺乏不同卸荷路径下破裂机制的对比分析;2)缺乏不同卸荷路径下岩石破裂特征及力学参数的分析与对比;3)针对循环过程中岩石损伤劣化效应及损伤变化规律,研究较少。  针对以上存在的问题,本文以金沙江上游某水电站坝址区斜长花岗岩为研究对象,以含水条件(天然、饱水)与围压为变量,开展了“三轴循环加卸载”及“围压分级卸载”两种卸荷路径的力学试验,还对比设计了“常规三轴压缩试验”。探讨了花岗岩应力~应变全过程中的强度特征、力学参数演化特征,变形破裂机制、声发射特征及损伤演化特征等几个方面的内容。主要研究成果如下:  (1)常规三轴试验中,花岗岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量、泊松比与围压近似呈线性关系;饱水岩石的抗剪强度参数(c、ψ)小于天然岩石,c下降10.8%,ψ下降7.5%,变形参数(μ)却高于天然试样。说明饱水作用劣化了岩石的力学性质,降低承载能力及脆性。  循环三轴路径下岩石抗剪强度参数与常规三轴岩石差别不大,说明循环荷载不改变其力学特性。  卸围压路径下岩石的内摩擦角ψ略高于常规三轴及三轴循环,增大2.5%-9.7%,粘聚力c明显偏小,下降18%-41%,这是因为卸围压条件下岩石张剪性破裂机制造成的。  (2)常规三轴及三轴循环路径下,花岗岩的破裂机制受围压影响显著,低围压以张性破裂为主,随围压升高,逐渐转变为张剪性或剪张性破裂,继而转变为剪切破裂或者压剪破裂。卸围压路径下,低围压以张性、张剪性为主,张性特征明显,随围压升高,逐渐转变为共轭的Ⅹ剪破裂或共轭Ⅹ型剪张破裂为主,总体上岩石的破裂更为严重。  (3)三轴循环路径下,随着循环的进行弹性模量先增后减,泊松比先缓慢增加,后急速增加,残余应变先剧烈减小,继而波动,三者的演化规律反映岩石在循环荷载过程中内部微裂纹加速产生,力学特性加速劣化,扩容愈加显著及应变快速调整。卸围压试验中,采用高春玉的公式计算变形模量及泊松比具有良好的效果,变形模量及泊松比曲线在卸载的最后阶段剧烈增加,预示岩石已接近破坏极限。  (4)声发射反映了岩石变形与破裂,根据声发射参数特征对变形阶段进行划分具有其合理性。基于声发射的损伤曲线定量反映出试验中岩石的损伤特性。基于声发射参数的岩石损伤模型可以较好的反映常规三轴路径下岩石的损伤演化规律。
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