巖石材料損傷-斷裂轉(zhuǎn)換試驗(yàn)研究.pdf

1、巖石材料的損傷與斷裂破壞是一個(gè)初始缺陷的演化、宏觀裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展、材料宏觀斷裂破壞的連續(xù)變化過程。采用水泥砂漿試件模擬的巖石材料作為研究對(duì)象，將試件分為有裂隙和無裂隙（完整）兩種，分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到試件受力時(shí)的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。在加載過程中，采用超聲儀測(cè)量試件受力時(shí)的波形和波速，獲得了波形和波速隨加載過程的變化規(guī)律，系統(tǒng)性的研究了巖石材料的損傷與斷裂破壞特征，本文取得研究成果如下:
　　(1)用砂漿裂隙試件模擬含裂隙巖石進(jìn)行

2、單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了三種傾角45°、60°、75°的三種裂隙長(zhǎng)度45mm、60mm、75mm下9種試驗(yàn)工況的不同裂隙長(zhǎng)度、傾角試件的初裂隙擴(kuò)展角度和初裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)裂隙長(zhǎng)度相同時(shí)，初裂強(qiáng)度隨傾角的增加而增加，且傾角由60°增加到75°，初裂強(qiáng)度增加得更快，而裂隙擴(kuò)展角隨傾角的增大而減小。當(dāng)裂隙傾角相同時(shí)，初裂強(qiáng)度隨裂隙長(zhǎng)度的增加而降低，而裂隙擴(kuò)展角隨裂隙長(zhǎng)度的增加而沒有明顯的變化趨勢(shì)，說明裂隙擴(kuò)展角與裂隙長(zhǎng)度的大小無關(guān)。應(yīng)用最

3、大周向正應(yīng)力理論分析了含裂隙試件的受壓破壞機(jī)理，獲得了裂隙擴(kuò)展角理論表達(dá)式;通過比較可知:裂隙擴(kuò)展角的實(shí)測(cè)值和理論值基本吻合。
　　(2)通過對(duì)含裂隙試件進(jìn)行單軸壓縮荷載試驗(yàn)，加載到每一級(jí)荷載時(shí)，利用超聲儀對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行超聲波的波形和波速的采集，獲得了每個(gè)側(cè)點(diǎn)的波形圖和波速值。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:在預(yù)制裂隙尖端沒有出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋之前，只有布置在預(yù)制裂隙兩測(cè)的測(cè)點(diǎn)1＃和4＃繼續(xù)發(fā)生異常變化，其余測(cè)點(diǎn)的波形幾乎不發(fā)生異變;繼續(xù)加載到達(dá)預(yù)制裂隙

4、尖端出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形都出現(xiàn)了不規(guī)則的變化;在裂紋擴(kuò)展階段，裂紋隨荷載的施加變形逐漸增大，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形也會(huì)隨著裂紋的擴(kuò)展發(fā)生明顯的差異;當(dāng)裂紋貫通整個(gè)試件發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，此時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形變化很大、連續(xù)性差、波形的完整性遭到破壞。將波速的變化分為三個(gè)區(qū)段，(a)預(yù)制裂隙未擴(kuò)展區(qū):各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速隨應(yīng)變的增加沒有明顯的變化;(b)預(yù)制裂隙擴(kuò)展過渡區(qū):各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速隨應(yīng)變的增加明顯降低;(c)預(yù)制裂隙擴(kuò)展區(qū):各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速隨裂隙的

5、擴(kuò)展逐漸減低，繼續(xù)加載至試件破壞，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速下降很快。
　　(3)考慮巖石材料視為各向同性物質(zhì)，將含裂隙試件測(cè)點(diǎn)的波速隨應(yīng)變的變化分為兩種情況，一種是考慮測(cè)點(diǎn)布置在預(yù)制裂隙的兩側(cè)，試件受力過程中，預(yù)制裂隙因?yàn)閮A角的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生閉合現(xiàn)象，而試件內(nèi)部的原有微裂紋會(huì)發(fā)展延伸，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)的波速—應(yīng)變曲線顯得比較紊亂，無法判斷波速與應(yīng)變之間的變化關(guān)系。另一種是考慮測(cè)點(diǎn)沒有布置在預(yù)制裂隙的兩側(cè)，選取每個(gè)試件相同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到基于波速變化

6、的裂隙擴(kuò)展演化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即波速與應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式。
　　(4)通過對(duì)完整試件進(jìn)行單軸壓縮荷載試驗(yàn)，加載到每一級(jí)荷載時(shí)，利用超聲儀對(duì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行超聲波波形的采集，獲得了每個(gè)側(cè)點(diǎn)的波形圖。波形實(shí)測(cè)結(jié)果表明:0MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)4＃和測(cè)點(diǎn)5＃的波形出現(xiàn)異常，說明這兩點(diǎn)周圍存在初始損傷;在3.0～7.5MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)4＃的波形依然出現(xiàn)異常，而測(cè)點(diǎn)1＃、2＃、3＃的波形末端出現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明試件的局部開始出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)試件表面出現(xiàn)初始裂紋時(shí)，7個(gè)

7、測(cè)點(diǎn)的波形都表現(xiàn)出不規(guī)則現(xiàn)象。在裂紋擴(kuò)展階段，初始裂紋迅速傳播發(fā)展，超聲波的波形也會(huì)隨著裂紋的擴(kuò)展而發(fā)生不規(guī)則變化。當(dāng)裂紋貫通整個(gè)試件時(shí)，試件已經(jīng)失去承載能力，此時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形異常變化很大、連續(xù)性差、波形明顯不規(guī)則。
　　(5)通過對(duì)完整試件進(jìn)行單軸壓縮荷載試驗(yàn)，加載到每一級(jí)荷載時(shí)，利用超聲儀對(duì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行超聲波波速的采集，獲得了每個(gè)側(cè)點(diǎn)的波形值。波速實(shí)測(cè)結(jié)果表明:測(cè)點(diǎn)1＃、2＃、3＃的初始波速值比較接近，測(cè)點(diǎn)5＃、6＃、7＃的

8、初始波速值比較接近。在試件表面沒有出現(xiàn)裂紋之前，波速隨應(yīng)變的增加沒有明顯的變化。當(dāng)試件表面出現(xiàn)裂紋之后，波速隨應(yīng)變的增加明顯降低，試件內(nèi)部缺陷已延伸至試件表面，試件損傷程度嚴(yán)重。隨著損傷的進(jìn)一步擴(kuò)展到達(dá)試件的抗壓強(qiáng)度后，試件內(nèi)部的完整性遭到嚴(yán)重破壞，超聲波在試件內(nèi)部的波速值降低很大。
　　(6)通過對(duì)完整試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，利用超聲儀記錄了脈沖波的波速在試驗(yàn)過程中的相對(duì)變化，定義了以波速變化的損傷變量。將巖石損傷視為各向同性，采