【摘要】：為了研究孔洞尺寸效應(yīng)對巖石力學(xué)強(qiáng)度的影響,利用巖石伺服壓力機(jī)對含不同孔洞直徑的巖石進(jìn)行單軸壓縮,并通過高速攝像機(jī)記錄其破壞特征及裂紋擴(kuò)展過程,從裂紋擴(kuò)展角度闡述強(qiáng)度弱化機(jī)理。研究表明:(1)隨著孔洞直徑的增大,其抗壓強(qiáng)度隨之而減小,但降低速率逐漸減小;(2)起裂裂紋類型控制脫落面積,進(jìn)而影響巖石宏觀力學(xué)強(qiáng)度;(3)孔洞直徑為6 mm、8 mm試樣起裂裂紋為反向拉伸裂紋,反向拉伸裂紋擴(kuò)展很短;孔洞直徑為10 mm、12 mm試樣起裂裂紋為正向拉伸裂紋,最終貫穿試驗邊界的均為正向拉伸裂紋。
【圖文】：

巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為54MPa，相對于孔洞直徑為0mm(即完整巖樣平均峰值強(qiáng)度為65MPa)的巖石強(qiáng)度下降明顯，降幅為17%;孔洞直徑為8mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為43MPa，下降更為明顯，降幅為34%;孔洞直徑為10mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為39MPa，下降明顯，降幅為40%;孔洞直徑為12mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為37MPa，下降明顯，降幅為43%。從孔洞直徑與巖石平均峰值強(qiáng)度降低程度分析來看，孔洞尺寸對巖樣強(qiáng)度影響較大，且隨著尺寸的增大，巖樣平均峰值強(qiáng)度降低幅度較大，影響較為明顯。圖1應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示，巖石隨著孔洞直徑增大，巖石抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低的規(guī)律特性，在孔洞直徑≤8mm時，抗壓強(qiáng)度降低較為明顯;在孔洞直徑為10、12mm工況時，抗壓強(qiáng)度相對于孔洞直徑為8mm時巖石的抗壓強(qiáng)度降低幅度僅為7%和3%。圖2抗壓強(qiáng)度隨孔洞直徑降幅折線如圖3所示，借助于數(shù)學(xué)分析軟件Origin，得到孔洞直徑與峰值應(yīng)力關(guān)系擬合曲線:y=－2.495x+65.56，Ｒ2=0.957，說明巖石抗壓強(qiáng)度與孔洞直徑之間具有良好的線性關(guān)系，可以得出:隨著孔洞直徑的增大，砂巖巖樣單軸抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，且呈線性變化。2.2彈性模量分析本文巖樣彈性模量數(shù)據(jù)基于應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線得出，具體做法是:在應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線上，選用達(dá)到峰值應(yīng)力前近似直線段的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。圖4為不同孔洞直徑試樣的彈性模量直方圖。由圖4可見，隨著孔洞直徑的增大，試樣的彈性模量呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，即由完整巖樣的9.77GPa圖3孔洞直徑與抗壓強(qiáng)度擬合曲線降低至7.08GPa(孔洞直徑為6mm);但孔洞直徑為8mm時，彈性模量升高至8.97GPa;然而，隨著孔洞直徑從8mm開始增大時，彈性模量逐漸降低，當(dāng)孔洞直徑為10mm時，其值為8.5

巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為54MPa，相對于孔洞直徑為0mm(即完整巖樣平均峰值強(qiáng)度為65MPa)的巖石強(qiáng)度下降明顯，降幅為17%;孔洞直徑為8mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為43MPa，下降更為明顯，降幅為34%;孔洞直徑為10mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為39MPa，下降明顯，降幅為40%;孔洞直徑為12mm巖石的破壞平均峰值強(qiáng)度為37MPa，下降明顯，降幅為43%。從孔洞直徑與巖石平均峰值強(qiáng)度降低程度分析來看，孔洞尺寸對巖樣強(qiáng)度影響較大，且隨著尺寸的增大，巖樣平均峰值強(qiáng)度降低幅度較大，影響較為明顯。圖1應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示，巖石隨著孔洞直徑增大，巖石抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低的規(guī)律特性，在孔洞直徑≤8mm時，抗壓強(qiáng)度降低較為明顯;在孔洞直徑為10、12mm工況時，抗壓強(qiáng)度相對于孔洞直徑為8mm時巖石的抗壓強(qiáng)度降低幅度僅為7%和3%。圖2抗壓強(qiáng)度隨孔洞直徑降幅折線如圖3所示，借助于數(shù)學(xué)分析軟件Origin，得到孔洞直徑與峰值應(yīng)力關(guān)系擬合曲線:y=－2.495x+65.56，Ｒ2=0.957，說明巖石抗壓強(qiáng)度與孔洞直徑之間具有良好的線性關(guān)系，可以得出:隨著孔洞直徑的增大，砂巖巖樣單軸抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，且呈線性變化。2.2彈性模量分析本文巖樣彈性模量數(shù)據(jù)基于應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線得出，具體做法是:在應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線上，選用達(dá)到峰值應(yīng)力前近似直線段的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。圖4為不同孔洞直徑試樣的彈性模量直方圖。由圖4可見，隨著孔洞直徑的增大，試樣的彈性模量呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，即由完整巖樣的9.77GPa圖3孔洞直徑與抗壓強(qiáng)度擬合曲線降低至7.08GPa(孔洞直徑為6mm);但孔洞直徑為8mm時，彈性模量升高至8.97GPa;然而，，隨著孔洞直徑從8mm開始增大時，彈性模量逐漸降低，當(dāng)孔洞直徑為10mm時，其值為8.5
【作者單位】： 河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院;中鐵二院工程集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院;中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室;水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所;
【基金】：國家自然基金青年基金(51404266) 河北省教育廳科技青年基金(QN2016066) 張家口市科學(xué)技術(shù)和地震局指令項目(No.1611061A) 河北建筑工程學(xué)院校級基金(B-201602) 中國中鐵重點科研課題(2016-重點-27)
【分類號】：TU45

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5 葉縉W

本文編號：2534845