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发布时间:2026-04-07
地下岩石工程的开挖和卸载会对原地应力产生强烈的扰动,可能产生失稳和岩爆等灾害。本文对红砂岩进行了常规三轴和卸荷三轴的对比试验,得到了不同卸荷点下砂岩的力学特性、破坏特征和能量演化特征,基于能量耗散定义损伤变量,揭示了砂岩的损伤变化规律。结果表明,与常规三轴岩样相比,卸荷三轴岩样的峰值强度和弹性模量更小,说明卸载围压会影响砂岩的力学性能;卸荷三轴岩样的破坏表现为比常规三轴岩样更加复杂的拉-剪复合破坏模式,同时由于围压的卸载,还表现出更明显的膨胀变形特征;卸荷三轴岩样特征应力点处的总应变能、弹性能和耗散能由大到小均满足:无卸荷>85% 卸荷>75% 卸荷>65% 卸荷,表明轴向应力越高,岩石破坏时释放的弹性能越多,实际工程中局部高应力的岩爆灾害的破坏性也证明了这一点;围压的抑制作用会增大弹性能的储存并减小能量的释放与耗散,内部裂纹、裂隙扩展是导致岩石损伤变量快速累积和能量快速释放的重要原因。
在地下岩石工程领域,包括隧道掘进、地下空间工程、水电工程和采矿工程,开挖作业会对初始地应力造成较大扰动,导致应力释放,极易造成开挖卸荷破坏,影响岩石工程的稳定性。相关工程实践表明,围压的卸载与剥落、岩爆等问题密切相关。能量耗散与岩石损伤状态密切相关,在能量驱动下岩石发生结构劣化、完整性破坏,最终丧失承载能力。因此,从能量角度分析围压卸荷路径下岩石的变形破坏,揭示能量演化机制,可以指导地下岩石工程施工或支护方案的调整,避免由卸荷效应导致动力灾害的发生。
在地下岩体工程建设中,施工进度的快慢会影响岩体的卸荷速率,因此,诸多学者针对不同卸荷速率对岩石破坏的影响进行了大量研究。WANG等分析了不同卸荷速率下煤岩组合破坏过程的能量演化特征,发现不同围压卸荷速率下煤岩组合的弹性能、耗散能和总应变能均随卸荷速率的增加呈现不同幅度的增大,且耗散能的增幅最大。GUO等研究了不同卸载速率下煤体的力学性能和能量演化规律,发现随着耗散能的增加,弹性能转换率呈线性下降趋势,表明高卸荷率增加了煤体瞬脆破裂诱发动力灾害的可能性。李胤达等对砂岩开展了围压卸荷三轴试验,分析了卸荷速率对砂岩能量演化和破坏模式的影响,揭示了砂岩在卸荷状态下的破坏机制。
此外,在不同卸荷路径和围岩效应下岩体的能量储存与释放也有所不同,导致施工过程中岩体灾害风险性的增加。杨永杰等对煤样进行了不同初始围压下的三轴卸荷试验,结果表明,初始围压越高,煤样破坏时释放的能量越多,说明在高应力煤岩工程中进行开挖作业,岩体弹性能的剧烈释放容易引起岩爆等动力灾害。杨以荣等对石英云母片岩开展了不同围压下的卸荷试验,从能量比和能量应力增量比等方面系统地分析了岩石的能量演化特征,揭示了岩体变形破坏与能量耗散的关联性。张风达等开展了不同应力路径下的卸荷三轴试验,发现在不同的应力路径下,偏应力是导致岩体发生失稳破坏主要因素,岩石的弹性模量和泊松比随着偏应力的变化速率的变化而发生改变。张培森等开展了常规三轴、应力差增大卸围压和应力差恒定卸围压3种路径下的加载试验,发现不同的应力路径上岩石的破坏特征、力学特性和破坏模式都有不同程度的变化。事实上,在实际工程中,局部高应力的岩爆灾害的破坏性要大于一般位置,即在高卸荷点处造成的破坏程度更大。然而,以上卸荷研究大多围绕不同应力路径、卸荷速率和不同围压等方面来研究岩石的能量演化,对不同卸荷点处岩石力学特性和能量演化规律的对比研究很少有报道。
基于此,本文开展红砂岩的常规三轴和不同卸荷点下的卸荷三轴试验,对比分析红砂岩的力学特性、破坏特征和能量演化特征。基于能量耗散定义损伤变量,探讨围压与损伤变量间的关系,阐述砂岩的损伤变化规律。
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