单轴循环加卸载条件下砂岩能量演化规律及声发射特征研究.pdf

分类号分类号TU458 授予学位单位代码授予学位单位代码10434 学学 号号2017120481 山東農業大學山東農業大學 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 单轴循环加卸载条件下砂岩能量演化规律及声发射特征研究 Study on Energy Evolution and Acoustic Emission Characteristics of Sandstone under Uniaxial Cyclic Loading and Unloading Conditions 2019 年年 6 月月 10 日日 姓名姓名 周元超周元超 学 位 类 别学 位 类 别 工程硕士工程硕士 专业专业 建筑与土木工程建筑与土木工程 研 究 方 向研 究 方 向 岩土与地下工程岩土与地下工程 学院学院 水利土木工程学院水利土木工程学院 指 导 教 师指 导 教 师 刘传孝刘传孝 教授教授 万方数据 论 文 提 交 日 期2019 年 3 月 27 日 论 文 答 辩 日 期 2019 年 6 月 6 日 学 位 授 予 日 期 2019 年 6 月 18 日 学 位 类 别 工程硕士 答 辩 委 员会主席 贾宏俊 万方数据 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取得 的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或集 体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学 校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名 导 师 签 名 日 期 万方数据 万方数据 目录 中文摘要中文摘要 ................................................................................................................................................ I 英文摘要英文摘要 ............................................................................................................................................. III 1 前言前言 ..................................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................. 2 1.2.1 循环加卸载试验国内外研究现状 ................................................................................... 2 1.2.2 循环加卸载能量耗散国内外研究 ................................................................................... 3 1.2.3 声发射国内外研究现状 ................................................................................................... 4 1.3 选题的依据 .......................................................................................................................... 5 1.4 课题的研究内容及方法 ...................................................................................................... 5 1.4.1 研究内容 ........................................................................................................................... 5 1.4.2 研究方法 ........................................................................................................................... 6 1.5 技术路线 .............................................................................................................................. 7 2 材料与方法材料与方法........................................................................................................................................ 7 2.1 试验材料及制备 .................................................................................................................. 8 2.2 试验系统 .............................................................................................................................. 9 2.3 试验方案 ............................................................................................................................ 10 2.3.1 单轴压缩试验 ................................................................................................................. 11 2.3.2 分级循环加卸载试验 ..................................................................................................... 11 2.3.3 变下限分级循环加卸载试验 ......................................................................................... 11 2.3.4 等值循环加卸载试验 ..................................................................................................... 12 3 结果与分析结果与分析 .................................................................................................................................... 13 3.1 砂岩强度及变形特征分析 ................................................................................................ 13 3.1.1 砂岩单轴压缩强度及变形特征分析 ............................................................................. 13 3.1.2 砂岩单轴压缩破坏模式分析 ......................................................................................... 14 3.1.3 砂岩在分级循环加卸载下的试验结果分析 ................................................................. 15 3.1.4 变下限分级循环加卸载试验结果分析 ......................................................................... 18 万方数据 3.1.5 等值循环加卸载强度及变形特征分析 ......................................................................... 19 3.1.6 砂岩不同循环加卸载条件下强度及变形特性分析 ..................................................... 20 3.1.7 小结 ................................................................................................................................. 21 3.2 砂岩能量演化规律分析 .................................................................................................... 22 3.2.1 循环荷载下岩石破坏的能量分类及计算 ..................................................................... 22 3.2.2 循环加卸载下砂岩能量特征分析 ................................................................................. 23 3.2.3 砂岩不同循环加卸载条件下能量演化特征对比分析 ................................................. 36 3.2.4 小结 ................................................................................................................................. 37 3.3 声发射特征及 Felicity 效应分析 ...................................................................................... 38 3.3.1 声发射检测的物理基础 ................................................................................................. 39 3.3.2 单轴压缩下的声发射特征分析 ..................................................................................... 41 3.3.3 循环荷载下砂岩的声发射特征分析 ............................................................................. 43 3.3.4 循环荷载下声发射 Felicity 比的变化特征分析 ........................................................... 47 3.3.5 小结 ................................................................................................................................. 52 4 讨论讨论 ................................................................................................................................................. 53 4.1 本文研究结果 .................................................................................................................... 53 4.2 本文创新点 ........................................................................................................................ 53 4.3 进一步研究设想 ................................................................................................................ 53 5 结论结论 ................................................................................................................................................. 55 6 参考文献参考文献......................................................................................................................................... 57 7 致谢致谢 ................................................................................................................................................. 64 8 攻读学位期间发表论文情况攻读学位期间发表论文情况 ...................................................................................................... 65 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 I 中文摘要 随着各种地下工程的开展，矿山开采深度的增加，在许多地下工程的建设中岩石 及基础常常会受到反复加卸载的作用，研究岩石在循环加卸载作用下的力学特性，具 有重要的理论价值和工程意义。以枣庄市柴里煤矿的砂岩为研究对象，通过不同的加 卸载路径，对砂岩试件进行单轴循环加卸载试验，分析对比了砂岩在不同循环加卸载 路径下的强度特征，变形特征，能量演化及声发射特征之间的关系，得出了单轴循环 加卸载条件下砂岩的力学特性，取得的研究成果如下 （1）对砂岩进行三种不同路径下的加卸载试验，即分级循环加卸载、变下限分级 循环加卸载、等值循环加卸载，得出循环加卸载对砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、 泊松比均有强化作用。在分级循环加卸载（方案 B）和变下限分级循环加卸载（方案 C）路径下，砂岩的单轴抗压强度相比单轴压缩试验分别提高 26和 10；弹性模量 分别提高 4和 2。泊松比分别提高 14和 10。 （2）不同的循环加卸载路径会影响岩石的力学特性。对比分级循环加卸载（方案 B）和变下限分级循环加卸载（方案 C），方案 B下砂岩的单轴抗压强度，弹性模量和 泊松比均比方案 C 提高 14、2和 3。 （3）岩石在经历反复加卸载作用后应力应变曲线会形成滞回环，滞回环的面积代 表塑性变形的累积，表示耗散能的大小；三种循环加卸载方案下，试样产生的耗散能 均与循环次数成正相关，砂岩最终循环产生的平均耗散能值是最初加载时的 2-23倍。 （4）当循环加卸载次数相同时，分级循环加卸载试验比变下限分级循环加卸载试 验条件下产生的滞回环面积更大，释放的耗散能更多。砂岩在方案 B 加载下产生的耗 散能大约为方案 C 的 16 倍。原因在于分级循环加卸载路径下产生的塑性变形更大，对 岩石的损伤破坏更严重，岩石用于产生塑性变形和内部损伤的耗散能更多。 （5）单轴压缩条件下，岩石声发射事件率的变化可用来表征岩石从初始加压至破 坏的过程，岩石在压密阶段所产生的声发射事件率约为 80 个/s; 弹性发展阶段产生的事 件率保持相对稳定，约为 20 个/s，当试件进入非稳定阶段时声发射事件数突然增多最 大可达 25000 个/s。等值循环加卸载条件下，加卸载循环次数相同时声发射事件率与应 力值大小正相关，加载值为 25MPa、35MPa、40MPa 时，加卸载过程中产生的平均声 发射事件率分别为 3000个/s, 4500 个/s 和 12000 个/s。 万方数据 单轴循环加卸载条件下砂岩能量演化规律及声发射特征研究 II （6）Felicity 比值可用来判定岩石的受损伤程度，Felicity 比值越小表明岩石的损 伤积累越多。两种循环加卸载条件下 Felicity 比均随着循环次数的增多而减小，方案 B 中砂岩的 Felicity 比值由初次循环的 1.381 减小为 0.409；方案 C 下 Felicity 比值由初次 循环的 1.333 减小至 0.964；分级循环加卸载路径下岩样最终破坏时的 Felicity比相对较 小，表明砂岩在分级循环加卸载路径下比变下限分级循环加卸载路径下受到的损伤更 严重。 关键词砂岩；循环加卸载；耗散能；声发射；Felicity比 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 III Study on energy evolution and acoustic emission characteristics of sandstone under uniaxial cyclic loading and unloading conditions Abstract With the development of various underground projects and the increase of mining deep, rocks and foundations are often subjected to repeated loading and unloading during the construction of many underground projects. It is important in order to study the mechanical properties of rocks under cyclic loading and unloading.Value and engineering significance. Taking the sandstone of Chaili Coal Mine in Zaozhuang City as the research object, the uniaxial cyclic loading and unloading test of sandstone specimens was pered through different loading and unloading paths. The strength characteristics, deation characteristics and energy of sandstone under different cyclic loading and unloading paths were, analyzed and compared. The relationship between evolution and acoustic emission characteristics is obtained. The mechanical properties of sandstone under uniaxial cyclic loading and unloading conditions are achieved. The research results obtained are as follows 1 The sandstone is subjected to loading and unloading tests under three different paths, namely, staged cyclic loading and unloading, variable lower limit staged cyclic loading and unloading, equal amplitude cyclic loading and unloading, and the uniaxial compressive strength and elastic modulus of the sand loading and unloading to sandstone are obtained. Both Poissons ratio have a strengthening effect. Under the grading cycle loading and unloading Scheme B and the lower limit grading cycle loading and unloading Scheme C, the uniaxial compressive strength of sandstone is increased by 26 and 10, respectively, compared with the uniaxial compression test; the elastic modulus increased by 4 and 2 respectively and the Poissons ratio increased by 14 and 10 respectively. 2 Different cyclic loading and unloading paths will affect the mechanical properties of rocks. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and Poisson ratio of sandstone under plan B were all improved by 14, 2 and 3 compared with plan C by comparing the two cyclic loading and unloading paths of graded cycle plan B and graded cycle loading and unloading with variable lower limit plan C. 3 The stress-strain curve of the rock will a hysteresis loop after repeated loading and unloading. The area of the hysteresis loop represents the accumulation of plastic deation, indicating the amount of dissipated energy. Under the three cyclic loading and unloading schemes, the dissipated energy generated by the specimen is the number of cycles 万方数据 单轴循环加卸载条件下砂岩能量演化规律及声发射特征研究 IV is positively correlated, and the average dissipation energy produced by the final circulation of the sandstone is 2-23 times that of the initial loading. 4 When the number of cyclic loading and unloading is the same, the staged cyclic loading and unloading test generates larger area of hysteresis loop and releases more dissipated energy than the graded cyclic loading and unloading test with variable lower limit. The dissipation energy of sandstone under plan B loading is about 16 times of that under plan C. The reason is that the plastic deation is larger and the damage and damage to the rock is more serious under the loading and unloading path of the graded cycle. Therefore, the dissipation energy of the rock used to generate plastic deation and internal damage is more. 5 The rate of change of acoustic emission events can be utilized to judge the development process of internal rock damage. Under uniaxial compression conditions, the number of acoustic emission events generated by rock during the compaction phase is about 80/s.The number of events remained relatively stable at about 20/s.The number of acoustic emission events suddenly increased by up to 25,000/s when the test piece entered the unstable phase. Under the condition of equivalent cyclic loading and unloading path, the number of acoustic emission events of the sample is significantly corelated with the stress value when the number of loading and unloading cycles is the same. When the loading value is 25MPa, 35MPa, 40MPa, the average generated during the loading and unloading process.The acoustic emission event rates were 3000/s, 4500/s and 12,000/s, respectively. The acoustic emission characteristics of the rock under cyclic charging and unloading conditions exhibit a Kaiser effect. 6 The Felicity ratio can be used to determine the degree of damage to the rock. The smaller the Felicity ratio, the more damage the rock accumulates. The Felicity ratio decreases with the increase of the number of cycles in both cyclic loading and unloading conditions. The Felicity ratio of sandstone in Scheme B decreases from 1.381 to 0.409; the Felicity ratio in Scheme C decreases from 1.333 to 0.964; The Felicity ratio of the final failure of the rock sample under the path is relatively small, indicating that the sandstone is more severely damaged under the grading cycle loading and unloading path than the lower limit grading cycle loading and unloading path. Key words Sandstone; Cyclic Loading; Energy Dissipation; Acoustic Emission; Felicity Ratio 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 1 1 前言 1.1 课题研究的背景及意义 现如今我国正处在经济飞速发展的时期，需要大规模的基础设施建设，随着人们 对资源需求量的日益增大，加之我国城市化进程逐渐加快，对交通效率的需求也越来 越高，因此需要修建大量的高铁隧道以及城市地铁；众多深部金属矿山的开采、大型 水利设施的建设等众多工程都涉及到岩土领域的安全问题。据不完全统计从 2001 年到 2014 年短短 15 年我国发生的重大隧道地下工程事故超过 30 起，死亡人数超过 200 人，造成了巨大的经济损失。发生地下工程事故直接原因为坍塌、岩崩事故、爆 炸、透水事故、以及中毒和物体打击等。除地下工程的施工外，来往车辆对桥梁基坑 的周期作用力以及水库周期性的排蓄水都使得围岩体和工程设施受到了加卸载的作 用。岩体是自然界中十分复杂的介质，是一种天然的地质构造物，在经历了各种构造 地质作用、风化作用及各种营力的作用后，其内部会存在大量不规则的节理、层理及 微裂隙，组织结构相当不均匀，并存在复杂的非线性特征。因此研究岩石的力学特性 是一种复杂并且必要的事情。由于岩石内部不规则的构造，当岩石受到外力荷载作用 时，其内部的微裂隙会继续产生，发育，进而造成岩石的损伤积累进一步增加，最终 微裂隙增长贯通以致形成宏观的破裂面，导致岩石的破坏。 在矿山井下开挖过程中，巷道围岩经常受到加压、卸压的应力过程，进而导致围 岩失稳变形，导致安全事故的发生。众所周知深部岩体长期处于一种高地应力的平衡 状态，随着开挖深度的增加，岩体所承受的地压也逐渐增大，使围岩的稳定性越来越 差，所以工程中由于开挖导致的对围岩体产生的加卸载作用类型的破坏日趋严重。地 下岩体在没有开挖之前均是在三向应力下保持平衡，开挖后，应力会进行重分布，这 就使围岩体受到了加载又卸载的应力作用，同时在加卸载的过程中岩体的力学性质也 发生了改变。地下工程的施工以及隧道巷道的掘进开挖过程中，如果在没有足够支护 措施的条件下，很有可能使得岩体内部存储的弹性能瞬间释放，进而在施工的开放区 产生崩塌，陷