加载速率对丁字形裂隙岩体力学特性影响的试验研究

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岩体中存在着不同倾角、数量、交叉方式的裂隙,在外力作用下会诱发边坡滑坡,硐室坍塌,采场冒顶等灾害。裂隙岩体的力学与能量特性的研究对各种裂隙岩体工程的安全与稳定性评价有现实指导价值,裂隙岩体研究也成为当前岩石力学方面的热点课题之一。本文开展了单轴压缩试验和单轴逐级循环加卸载试验,揭示了裂隙角度和加载速率等因素对丁字形裂隙岩体的静、动态力学与能量特性的影响规律,并基于能量耗散系数法研究了裂隙岩体渐进破坏过程中的强度特征,提出了丁字形裂隙岩体的屈服强度确定方法。研究结果如下:(1)研究了丁字形裂隙岩体的静力学特性,结果表明:主裂隙倾角为0°时,随着次裂隙夹角的增大,丁字形裂隙岩体的峰值强度、弹性模量、破坏应变呈现出增大的现象;而当主裂隙倾角为45°和90°时,随着次裂隙夹角的增大,丁字形裂隙岩体的峰值强度、弹性模量、破坏应变呈现出减小的趋势。加载速率的增加使得丁字形裂隙岩体的峰值强度、弹性模量性质得到加强,破坏应变性质发生弱化。(2)主裂隙倾角为0°时,随着次裂隙夹角的增加,丁字形裂隙岩体峰值点的总能量、弹性应变能、耗散能、弹性能量比增加,而耗散能量比减小;主裂隙倾角为45°和90°时,随着次裂隙夹角的增加,丁字形裂隙岩体峰值点的总能量、弹性应变能、耗散能、耗散能量比减少,弹性能量比增加。随着加载速率的增加,丁字形裂隙岩体峰值点处的总能量、弹性能与弹性能量比增加,而耗散能与耗散能量比减小。(3)定义了能量耗散系数,研究了能量耗散系数的演化规律,提出了裂隙岩体渐进破坏过程中屈服强度的确定方法,并与传统的方法-裂纹体积应变法相比较,验证了该方法的准确性和合理性。此外,建立关于能量耗散系数的岩爆倾向性判据,预测了丁字形裂隙岩体试样的岩爆可能性。(4)研究了丁字形裂隙岩体的动力学特性,结果表明:随着加载速率的增加,丁字形裂隙岩体的动峰值强度、动弹性模量、动静峰值强度比增大,而动静弹性模量比却减小;处于低加载速率时,试样的动峰值强度小于静峰值强度,而动弹性模量均大于静弹性模量在本文的加载速率区间。(5)研究了不同应变比、加载速率、裂隙角度下丁字形裂隙岩体的动态能量特性,得出:随着应变比的增加,滞回环面积呈幂函数式增加,阻尼比先减小后增大,阻尼系数增加;随着加载速率的增加,滞回环面积、阻尼比、阻尼系数增大;丁字形裂隙岩体主裂隙倾角为0°和45°时,随着次裂隙夹角增加,滞回环面积、阻尼比、阻尼系数增加,当丁字形裂隙岩体主裂隙倾角为90°时,随着次裂隙夹角增加,滞回环面积、阻尼比、阻尼系数降低。
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