高应力循环加卸载下不同张开...隙类岩体变形损伤及能量演化_赵子仪.pdf

第 37 卷第 2 期2023 年 4 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.2Apr.2023收稿日期:20221228基金项目:国家自然科学基金资助项目(51704168);湖南省自然科学基金资助项目(2019JJ50528)作者简介:赵子仪(1998)，男，硕士研究生，主要从事水力耦合下岩体断裂机制方面的研究。E-mail:2998027092qqcom。*通信作者:杨少峰(1993)，男，硕士，主要从事岩石断裂力学方面的研究。E-mail:2428867108 qqcomDOI:10.19431/ki.16730062.2023.02.006高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化赵子仪1，杨少峰2*，邵朝阳3(1南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001;2山西紫金矿业有限公司，山西 忻州 034302;3浙江交投浙东矿业有限公司，浙江 台州 318000)摘要:为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于 MT-150B 岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验，获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用，“弱化”程度约为 11%;以0.4 mm 张开度为界限，小于 0.4 mm 的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律，动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大，大于 0.4 mm 时，滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势，且张开度增大，张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大，45裂隙倾角涨幅最为显著。关键词:高应力循环加卸载;张开度;滞回环;动弹性模量;绝对损伤参数中图分类号:TU452文献标志码:A文章编号:16730062(2023)02003709Deformation Damage and Energy Evolution of ock Mass with DifferentCrack Width under Cyclic Loading and Unloading under High StressZHAO Ziyi1，YANG Shaofeng2*，SHAO Zhaoyang3(1School of esources Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;2Shanxi Zijin Mining Company Limited，Xinzhou，Shanxi 034302，China;3Zhejiang Jiaotou Zhedong Mining Company Limited，Taizhou，Zhejiang 318000，China)Abstract:In order to study the effects of different fracture opening degrees on the stress-strain curve characteristics，hysteretic loop area，dynamic elastic modulus and damage73第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月characteristics of fractured rock mass under high stress cyclic loading and unloading Basedon MT-150B rock mechanics testing machine，the high stress cyclic loading andunloading tests of fractured rock mass under different fracture opening degree and fracturedip angle were carried out，and the mechanical properties of fractured rock mass underhigh stress cyclic loading and unloading were obtained The results show that high stresscyclic loading and unloading has a“weakening”effect on the peak strength of similar rockmass，and the degree of“weakening”is about 11%Taking the fracture opening degree of0.4 mm as the limit，the hysteretic ring area of fractured rock mass smaller than 0.4 mmincreases at first and then decreases with the increase of fracture inclination angle，and thedynamic elastic modulus decreases at first and then increases with the increase of fractureinclination angle When it is larger than 0.4 mm，the hysteretic ring area and dynamic e-lastic modulus decrease with the increase of fracture inclination angle，and when the frac-ture opening degree increases，the probability of tensile crack initiation increases The ab-solute damage parameter increases with the increase of cycle times，and the increase of45 fracture inclination angle is the most significantkey words:high stress cyclic loading and unloading;fracture opening degree;hysteresisloop back;modulus of elasticity;absolute damage parameters0引言随着国家经济快速发展，地铁、隧道、城市轨道交通等基础设施建设也在紧锣密鼓进行着。而这些基础设施在建设过程中，普遍存在着周期性动力荷载问题，基础建设越深，周期性动力荷载越强。国内外学者通过对比含裂隙和完整岩体的断裂破坏实验结果，证明了裂隙的存在会不同程度地降低岩体断裂强度，且岩体失稳破坏是由内部裂隙扩展演化所致。因此，探究高应力循环加卸载下岩体裂纹扩展演化机制有助于岩体稳定性研究。目前，国内外学者在静载作用下对裂隙岩体力学特性的研究已经比较深入，对循环加卸载作用下含裂隙岩体力学特性的研究也取得了一定进展。徐建光等1 通过对裂隙岩体进行循环加卸载试验，发现不可逆变形随循环次数增加而增加是造成疲劳损伤的根本原因。李宁等2 对比分析了循环荷载下裂隙砂岩和无裂隙砂岩的疲劳效应，结果表明:裂隙砂岩样比无裂隙砂岩样疲劳效应明显。王浪等3 对含裂隙的中等风化灰岩进行了等幅值循环加卸载试验，得出在受损伤累计的影响下，岩体峰值应变与破坏点应变之间的差值明显比常规荷载作用下小很多的规律。刘毅等4 对丁字形裂隙试样进行分级循环荷载试验，探究了主次裂隙倾角对试样的滞回曲线、强度及动弹性模量的影响，得出耗散能随循环次数的增加而缓慢减小的规律。魏元龙等5 探究了循环加卸载作用下天然裂隙脆性页岩破裂特征，发现天然裂隙使得页岩性质局部劣化、加剧裂隙扩展和破坏提前，导致屈服应力、破裂压力和峰值强度减小。胡盛斌等6 探究了循环荷载下含孔洞缺陷岩体破坏特征，发现疲劳裂隙首先在应力集中的缺陷与机体材料界面边缘处萌生扩展。王述红等7 探究了循环加卸载条件下岩桥倾角和裂隙倾角对试样弹性模量的影响规律，发现多数裂隙岩体弹性模量随循环次数增加表现出强化现象，且第一次循环对弹性模量强化最为显著。申艳军等8 针对单裂隙岩体循环加卸载累积性损伤及断裂演化开展研究，发现循环加卸载后，0倾角裂隙岩体损伤累积最早达到破坏。周详9 模拟了不同裂隙倾角下双裂隙大理岩循环加卸载试验，发现裂纹扩展规律随倾角和围压的变化而变化。CDMartin 等10 通过循环加卸载试验探究了累积损伤对裂隙初始应力、损伤应力和峰值应力的影响。鲜于文攀等11 探究了不同裂隙倾角下脆性岩体力学特性，发现岩体的破坏模式以 45为界限出现了不同的破坏模式，且峰值强度随裂隙倾角的增大呈“V”型，且在 45最小。SNemat-Nasserr 等12 对含有预制裂隙岩石进行循环加载实验，对比分析了单裂隙及多裂隙的裂纹萌生、扩展和贯通机制，并依此建立了相关力学理论模型。石北啸等13 探究了循环荷载和静荷载组合下裂隙岩体力学特性、破坏模式等，得出随裂隙倾角增83第 37 卷第 2 期赵子仪等:高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化2023 年 4 月大，其弹性模量和峰值强度呈上升趋势。张琰等14 采用 PFC3D模拟了大理岩人字形切槽圆盘循环加载试验，并从微观角度探究了循环荷载作用下大理岩变形特征及断裂特性，认为循环荷载作用下裂纹前端存在断裂过程区的扩展。杨圣奇等15 探究了不同围压下含贯通裂隙砂岩变形演化规律、强度特征以及破坏模式，发现在低围压和高围压不同情况下，裂纹损伤阈值随循环次数的增加出现不同的变化趋势，且破坏模式也截然不同。白仕红16 探究了在双轴循环荷载条件下裂隙岩石的岩体裂纹扩展贯通模式、全过程应力-应变滞回曲线以及能量演化规律，得出 45裂隙倾角试件耗散能最大，倾角为 60时次之，倾角为30时最小。结合国内外研究成果发现，尽管试验研究已经在很多方面取得了丰硕的成果，但研究工作侧重于裂隙倾角、尺寸效应、裂隙形态对裂隙岩体破坏特征和能量演化特征的影响，对不同裂隙张开度下裂隙岩体变形损伤机制及能量演化特征并未涉及。因此，本文开展了不同张开度下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验，通过对高应力循环加卸载作用下类岩石材料的应力-应变、破坏模式、滞回环面积及动弹性模量的对比分析，旨在揭示不同张开度下裂隙岩体变形损伤及能量演化规律，为基础设施建设提供相应的理论依据。1实验概况11试件制备试件利用物理力学参数可控的水泥砂浆材料制备，其质量比为白水泥 细沙 水=5 5 2混合制备而成，细沙经孔径为 1.25 mm 筛子筛分后水洗晾干处理，以消除细沙中土对试验结果的影响，该类岩石材料物理力学参数见表 1。表 1类岩石材料物理力学参数Table 1Physico-mechanical properties of rock-like specimens密度/(gcm3)单轴抗压强度c/MPa单轴抗拉强度t/MPa弹性模量E/GPa黏聚力c/MPa泊松比 内摩擦角/218855524378629510223465采用浇筑法制备试件，试件模具为钢制模具，其内部尺寸为 150 mm50 mm200 mm。采用预埋钢片的方法预制贯通裂隙，钢片长 70 mm，宽30 mm，钢片厚度 b 分别为 0.1 mm、0.2 mm、0.4mm和 0