周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征

岩石在复杂荷载路径与受荷历史下的变形和损伤特性是岩石力学研究的难点,周期荷载是其中最常见也是最简单的力学现象,并且其与岩石的单调荷载方式密切相关,因此,周期荷载可以作为复杂荷载路径与受荷历史下岩石力学研究的“突破口”。选择重庆地区常见的砂岩、灰岩作为研究对象,以砂岩为主,利用西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)的MTS815岩石力学试验机、16CHs SAMOS? System声发射测试系统、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的CT机专用加载试验设备对单调及周期荷载作用下岩石的宏观变形及损伤特性、岩石损伤破坏过程中的声发射特性及其CT细观损伤演化规律进行了实验研究,并结合损伤力学和非线性理论进行了有益的探讨,通过以上研究,在以下方面取得一些进展: 1)提出了周期荷载作用下岩石损伤破坏的四阶段规律,并在AE实验、CT实验、以及突变、分形理论分析中进行了证明和进一步说明; 2)本文实验表明:岩石在低周期荷载破坏过程中出现明显的Felicity效应, Felicity比有总体下降的趋势,而且Felicity比有明显的阶段性特征。本文研究同时发现:周期荷载作用下岩石损伤过程中,定义出现“明显”声发射的标准只要在合理的范围内,并不影响Felicity比的演化趋势; 3)为研究卸载时岩石的AE特性,提出了AE卸载比的概念,无论轴向应力的还是轴向应变的AE卸载比曲线都印证了周期荷载作用下岩石损伤破坏具有阶段性特征; 4)岩石的种类、构造和均匀程度是AE定位实验的主要影响因素。本次砂岩AE定位实验结果显示,AE源呈散漫分布于试样中部,两端没有明显的条带丛集现象,中部没有得到声发射定位事件的“空白区”。对于此类岩石,微破裂的空间分布对主破裂的空间位置并无明显的指示意义; 5)采用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的CT机专用加载试验设备进行了多级(两级)循环荷载下岩石损伤实时CT细观实验,实验观察到了岩样损伤演化方式的转变过程,得到了岩石损伤破坏过程中CT数、密度和标准差等参数的演化过程; 6)提出损伤突变的概念,建立了以累计AE能量代表损伤的尖点突变模型,运用这一模型进行了周期荷载破坏过程和单调加载破坏过程的损伤突变分析,进一步说明了本文提出的周期荷载作用下岩石损伤破坏的四阶段规律; 7)通过对单调及周期荷载下岩石AE序列的关联维分析,说明在岩石破坏过程中,其AE序列存在降维的规律; 8)对某矿山露天采场边坡位移序列的监测数据表明,该边坡位移序列具有分形和混沌特征,运用混沌系统时间序列状态空间最邻近点预测方法对该边坡位移序列进行了预测。