静态-准静态加载速率下含裂隙类岩材料破断试验及声发射特征分析

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本文采用RMT–150B岩石力学试验机通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的2.5′10-55 S-1、5.0′10-55 S-1、10-44 S-1和2.5′10-44 S-1共4级加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下含预置裂隙类岩材料起裂强度规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。主要研究结果表明:(1)类岩试件峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,在相同加载速率下,不同倾角预制裂隙对类岩石试件的抗压强度均有着不同程度的损伤,峰值强度随预制裂隙倾角增大呈现先减小后增大的变化趋势,倾角为45°时最小。裂隙倾角相同时,裂隙体峰值强度随加载速率的增大而增大。预制裂隙不同,倾角对类岩试件的弱化作用不同。(2)在准静态加载范围内存在一个临界加载速率,使得加载速率强化效应不再显著,即裂隙体强度达到一定值后增长基本停滞。这个临界加载速率在.20′10 4-s-1左右。(3)不同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时劣化系数最大,倾角为90°时最小。0-90°倾角的裂隙体劣化系数处于0-17%之间,不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小,说明加载速率越大,试样承载力衰减幅度反而越小。(4)相同加载速率下,裂隙体弹性模量随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角为0°时弹性模量最小,弹性模量与倾角的关系曲线大致呈现波浪式上升。裂隙体弹性模量随加载速率的增大而增大,且上升速率整体趋于平缓,加载速率从10-44 S-1增加到2.5′10-44 S-1时,从静态加载过渡到准静态加载,此阶段弹性模量上升幅度最小。(5)声发射活动在试件内部微裂纹闭合阶段结束后开始明显活跃,大量微裂纹萌生并相互贯通后形成宏观裂纹,AE能量率在峰值前后最为活跃,声发射频域特征参数随加载过程变化而变化。(6)声发射测试数据表明,从声发射频域特征方面分析岩石破裂全过程是可靠的,应用能量率分析可得类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力强度规律:在相同加载速率下,裂隙体起裂应力水平随倾角的增大而增大;裂隙倾角相同时,裂隙体起裂应力水平随加载速率的增大而增大。倾角为0°的裂隙体在静态加载条件下,起裂应力水平大致处于百分之六七十之间,即峰值应力的约三分之二处,随着倾角的增加,起裂应力水平也随之增加,在准静态加载条件下的倾角为90°的裂隙体起裂应力水平已超过90%,完整试样在静态-准静态加载范围内起裂应力水平已全部超过90%。
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