单轴等幅循环加载条件下砂岩的波电特性试验研究及损伤演化分析

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现实环境中,岩体工程在施工与运行之时,岩石除了受到静荷载之外,更多的是受到循环荷载的作用,而循环荷载作用下岩体所表现出的力学特性与静荷载下是有所不同的,所以有必要对循环荷载作用下岩石的力学特性进行研究。而声发射特征参数和电阻率都对岩石的破坏过程比较敏感,都能很好的描述岩石的损伤演化规律,且两者对岩石损伤不同的阶段具有一定的互补性。因此,本文依托国家自然科学基金项目(51609027),以重庆地区典型的砂岩为研究对象,对等幅循环加卸载作用下砂岩的宏观变形特性、声发射特性和电阻率特性进行了试验研究,并结合损伤力学构建了基于声发射参数和电阻率的损伤模型。主要研究内容及成果如下:
  (1)通过等幅循环加载试验,对不同应力幅值、不同频率和不同饱和度条件下砂岩的轴向变形特征进行了分析。发现总体上等幅循环荷载作用下砂岩的轴向变形呈三阶段演化规律,滞回环曲线也呈“疏-密-疏”的变化趋势。且随着应力幅值的增大、频率的减小和饱和度的增大,相同循环次数内,砂岩的轴向峰值应变越大,应变速率也越大,循环周期更短。
  (2)通过等幅循环加载过程中砂岩的声发射试验,对不同应力幅值、不同频率和不同饱和度条件下砂岩的声波传播特性进行了分析。发现声发射演化也具备三阶段规律:初始阶段,变形较快,声发射信号强烈;等速阶段,变形发展较慢,声发射信号也较稳定;加速阶段,变形急剧发展,声发射信号也变得愈加剧烈。且随着应力幅值的增大、频率的减小和饱和度的减小,每一循环产生的声发射信号越强烈。
  (3)通过等幅循环加载过程中砂岩的电阻率试验,对不同应力幅值、不同频率和不同饱和度条件下砂岩的电导特性进行了分析。发现电阻率总体都表现为加载阶段的快速下降以及卸载阶段的迅速反弹。而不同应力幅值下电阻率的变化则表现为初始几个循环内的不同;不同频率下电阻率的总体变化趋势都一致,只是变化速率随着频率的减小而增大;而不同饱和度下电阻率的变化趋势则有很大不同。
  (4)在相关已建立的理论基础上,推导了基于电阻率的损伤变量Dρ,并结合已有的基于声发射累计振铃计数的损伤变量Dc,建立了基于声发射参数和电阻率的综合损伤变量D,从而构建了等幅循环荷载作用下砂岩的损伤累积演化模型。
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