肖福坤, 高毅仁

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實驗室, 哈爾濱 150022)

0 引 言

在巷道掘進(jìn)與施工過程中常常出現(xiàn)沖擊地壓的現(xiàn)象,即由于地應(yīng)力的原因造成底板或是兩幫的鼓起,并且沖擊地壓來壓方式往往是來壓與卸壓交替進(jìn)行。另外,眾多研究發(fā)現(xiàn),巖石在飽水之后的強(qiáng)度會有所下降,且大部分巷道均存在飽水的普遍現(xiàn)象,而對于卸壓問題,人們在實踐及研究中發(fā)現(xiàn),通過鉆孔的方式能夠達(dá)到一定的卸壓目的,孔洞的周邊的應(yīng)力分布決定著其損傷破壞形態(tài)。

目前,很多學(xué)者通過聲發(fā)射等手段對循環(huán)加載中不同賦存狀態(tài)下的孔洞巖樣作了大量研究。馮小東等[1]研究了不同含水狀態(tài)下的砂巖分級循環(huán)載荷,研究發(fā)現(xiàn)了水對巖石的弱化作用及變形方面的影響等,在循環(huán)過程中不同狀態(tài)巖樣的損傷對比。張廣輝等[2]探究了多級應(yīng)變和應(yīng)力加載條件下強(qiáng)沖擊傾向性煤的損傷演化過程及以聲發(fā)射表征的破壞前兆。王笑然等[3]測試了干燥和飽水煤樣加載過程中聲發(fā)射脈沖信號、能量及頻率隨應(yīng)力變化的差異性,總結(jié)了不同含水煤樣失穩(wěn)的前兆信息。夏冬等[4]分別對干燥和飽和條件下深部閃長巖進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗,探討了2種含水狀態(tài)下巖石的力學(xué)聲學(xué)特征,提出一種巖石臨近發(fā)生破壞的判據(jù)。也有學(xué)者研究了不同含水狀態(tài)下巖石的力學(xué)行為變化特征和聲學(xué)破壞前兆。汪泓等[5]分析了循環(huán)荷載下干燥與飽水砂巖的變形特征以及能量演化與分配情況。儲超群等[6]基于不同角度砂巖的聲發(fā)射單軸試驗,研究了層狀砂巖各向異性、聲發(fā)射特性及裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律。李西蒙等[7]建立了循環(huán)加卸載條件下應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)之間的理論模型,并推導(dǎo)了巖石損傷變量演化方程“單軸分級循環(huán)加載條件下砂巖疲勞變形特性與損傷模型研究”。

以上學(xué)者對于循環(huán)加載下的多個方面都進(jìn)行了大量的研究,但不同狀態(tài)的孔洞巖石動態(tài)力學(xué)響應(yīng)及破裂過程是由多方面,多因素導(dǎo)致的,故筆者在循環(huán)加卸載情況下,針對干燥與飽水狀態(tài)下孔洞巖石的力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試 驗

1.1 材料及設(shè)備

試驗試樣取自大塊砂巖,將其加工成100 mm ×100 mm×30 mm的方形試樣,且試樣表面光滑無缺陷,試樣共分為兩組,共6個試樣,編號為A1～A3和B1～B3,一組為干燥狀態(tài)下,將切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣放在恒溫恒濕度環(huán)境中,當(dāng)試樣質(zhì)量不再發(fā)生變化后,即認(rèn)定試樣已經(jīng)達(dá)到干燥狀態(tài)。另一組作真空飽水處理,將切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣擦拭干凈后放入真空報水機(jī),抽干空氣后利用負(fù)壓注入水,接著再次抽真空,靜置一周后取出試樣并擦干等待試驗。兩組巖樣均在中央打尺寸相同的小孔。實物如圖1所示。

圖1 破壞前巖樣

本試驗于黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實驗室內(nèi)進(jìn)行,其加載設(shè)備為TYJ-500,其滿足《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》精度要求,聲發(fā)射設(shè)備為SH-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測,數(shù)字散斑設(shè)備為XTDIC三維光學(xué)散斑,整體試驗設(shè)備如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)備

1.2 試驗方案

本試驗采用聲發(fā)射和數(shù)字散斑的監(jiān)測方式對2組孔洞巖樣進(jìn)行循環(huán)加卸載。試驗采用單軸循環(huán)加卸載方式,加卸載以非完全卸載方式交替進(jìn)行,試驗過程中,保持加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字散斑系統(tǒng)與攝像機(jī)同步進(jìn)行。首先,對A0試樣采用單軸一次性加載,加載方式為按位移加載,得到巖樣大致應(yīng)力極限之后再進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載,加載方式為按應(yīng)力加載:首先加載至40 kN,然后卸載20 kN,此后,每次加載40 kN卸載20 kN。本試驗采用2個SK-Ⅱ型傳感器進(jìn)行聲發(fā)射信號采集。試驗過程中用橡膠帶將傳感器均勻地固定在試件的兩邊。為保證聲發(fā)射信號能被傳感器良好接收,在試件與傳感器接觸部位涂抹凡士林進(jìn)行耦合。為清晰捕捉巖石在循環(huán)加載過程中每個階段的細(xì)微變化,試驗還采取了數(shù)字散斑和拍照的方式對巖樣進(jìn)行監(jiān)測,利用上述方案在常溫條件下進(jìn)行巖樣的循環(huán)加卸載聲發(fā)射試驗。

2 試驗分析

2.1 試驗結(jié)果

對2組孔洞巖樣進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗,巖樣破碎結(jié)果如圖3所示。

圖3 破壞后巖樣

從直觀破裂現(xiàn)象上來看,破斷裂紋均經(jīng)過孔洞周圍,破斷方式既有上下貫穿破斷也有左右貫穿破斷,不同之處在于干燥模式下的巖樣在破斷之后仍然能夠看出孔洞的大致位置及形狀,而在飽水之后,巖樣的孔洞在完全失穩(wěn)之后會整體坍塌,從而導(dǎo)致孔洞整個被壓在中間甚至完全消失,干燥巖樣在破斷瞬間會產(chǎn)生大量粉塵,并且在破裂瞬間伴隨巨大聲響,相對來說飽水后的巖樣雖有巖樣碎屑,但是粉塵量大幅下降,并且相較于干燥巖樣在破裂的瞬間所產(chǎn)生的聲響也較小,通過對巖樣破裂瞬間回放的觀看,發(fā)現(xiàn)干燥巖樣發(fā)生破裂之后,會瞬間產(chǎn)生巨大形變,而飽水的巖樣就相對較為緩慢一些。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變

砂巖循環(huán)加卸載試驗A、B組對照應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖4所示。

圖4 干燥與飽水巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

試驗按照載荷進(jìn)行控制加卸載,第一次加載到40 kN后卸載到20 kN,再加載到60 kN后卸載到40 kN,以此類推直到巖樣破碎為止。循環(huán)加卸載中干燥條件下的載荷峰值在172 kN,而飽水后的載荷破壞峰值在122 kN。整體干燥巖樣斜率大于飽水巖樣斜率,另外在循環(huán)加載過程中,加卸載曲線并未完全重合,即意味著巖樣發(fā)生的并不是完全彈性的形變,而是彈塑性相結(jié)合的形變方式,加卸載初次曲線重合度一般,干燥巖樣與飽水巖樣未重合夾角α1、α2分別為17.91°和14.42°,即產(chǎn)生的彈性形變較多,在加卸載后期曲線重合度逐漸變低,加卸載破裂前一次未重合夾角β1、β2分別為23.96°和26.68°,即產(chǎn)生的塑性形變逐步增多。

從循環(huán)的階段上來看,滯回環(huán)的面積逐漸變小,代表著在重新加載的過程中,隨著循環(huán)次數(shù)的增加壓密階段逐漸變得不明顯,巖樣直接受到應(yīng)力產(chǎn)生塑性形變,與整體情況的分析結(jié)果吻合。另外,由干燥與飽水條件下的應(yīng)力應(yīng)變圖可以看出,在經(jīng)過飽水弱化之后,循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)下降且所承受的最大載荷也有所下降,整體循環(huán)過程中兩者大致相同,但有細(xì)微差異,在循環(huán)初期相比于飽水條件下的巖樣,干燥條件下的巖樣更容易產(chǎn)生形變但在后半階段相比于干燥巖樣,飽水巖樣更容易出現(xiàn)形變。

本試驗結(jié)合雙向等壓單孔洞研究,可知側(cè)壓系數(shù)λ、水平應(yīng)力σ2及圓孔軸向應(yīng)力σz均為0。根據(jù)雙向等壓圓孔周圍單元應(yīng)力分布的分析,可以得出以下關(guān)系式,即平衡方程為

(1)

式中:σt、σr——切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力;

r、θ——微單元的半徑和坐標(biāo)角。

經(jīng)過化簡,根據(jù)廣義胡克定律,有微單元的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變分別為

(2)

(3)

由σz=0,可得:

圓孔周圍的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變的合成可以得出孔洞附近區(qū)域的豎向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,從而判斷試樣的應(yīng)變變化,在此可以結(jié)合孔洞周圍應(yīng)力進(jìn)行分析,假設(shè)圓孔順時針上下左右正對的點(diǎn)位分別為A、B、C、D,則可知在從A到B點(diǎn)的過程中,孔洞周圍的徑向應(yīng)力從最大逐漸減小,而環(huán)向應(yīng)力從最小逐漸增大,從B到C過程中,徑向應(yīng)力又逐漸增大,而切向應(yīng)力又逐漸減小,同理可以得出由C到D、D到A的變化趨勢,代入到上述式子中可以得到相應(yīng)的應(yīng)變變化。

通過計算分析我們得到在加載的過程中在A點(diǎn)和C點(diǎn)所承受的張拉破壞最大,壓破壞集中在B點(diǎn)和D點(diǎn),在上下左右各點(diǎn)的過渡階段所承受的是混合型破壞,既有張拉破壞也有壓破壞。

根據(jù)彈性力學(xué)中圓孔周邊應(yīng)力集中應(yīng)力函數(shù)計算,即在雙向等壓條件下,由極坐標(biāo)表示的應(yīng)力函數(shù)經(jīng)調(diào)和方程得到通解后反代入應(yīng)力函數(shù)后,由邊界條件求取極值,經(jīng)化簡得到應(yīng)力函數(shù)的三個分量為

(4)

(5)

(6)

對式(4)～(6)進(jìn)行討論,得到在圓孔周圍及在沿著某條線延伸之后的應(yīng)力分布數(shù)值,具體分析如下。

當(dāng)θ=0°時,

τrθ=0。

當(dāng)θ=30°時,

當(dāng)θ=90°時,

τrθ=0。

當(dāng)r=a時,

σθ=q(1-2cos 2θ),

式中:q——所施加的正應(yīng)力;

a——臨界半徑值。

從計算中不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)在圓孔邊緣極限的時候,只有環(huán)向應(yīng)力的存在,且最大的拉應(yīng)力分布在圓孔兩側(cè),大小為正應(yīng)力的3倍,上下部分存在的應(yīng)力為拉應(yīng)力,大小與正應(yīng)力相同,且在經(jīng)過30°時存在一個平衡狀態(tài)。具體應(yīng)力分布如圖5所示。其中,γ1、γ2分別為拉應(yīng)力、壓應(yīng)力與所施加正應(yīng)力的比值。

圖5 圓孔邊緣環(huán)向應(yīng)力分布極坐標(biāo)

當(dāng)只考慮在豎直方向上的應(yīng)力分布時,即角度為0°時,徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力均存在,而切向應(yīng)力為0。徑向應(yīng)力由0逐漸增大為0.041 7q的拉力,然后拉力逐漸減小很快變?yōu)?,緊接著成為壓力,壓力最后穩(wěn)定在q。環(huán)向應(yīng)力由拉力為q逐漸減小,減小為0后轉(zhuǎn)換成壓力,最大壓力達(dá)到0.041 7q,之后逐漸減小為0,具體應(yīng)力分布如圖6所示。其中,γ為應(yīng)力與所施加應(yīng)力的比值,k0為0°線上某點(diǎn)到孔洞中心距離與孔洞半徑的比值。

圖6 0°時徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力函數(shù)

當(dāng)只考慮水平方向上的應(yīng)力分布即θ=90°時,徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力均存在,而切向應(yīng)力為0。徑向應(yīng)力由0逐漸增大為0.375q的壓力然后逐漸減小最后穩(wěn)定在0。環(huán)向應(yīng)力由3q的壓力逐漸減小,最后逐漸穩(wěn)定在q,具體應(yīng)力分布如圖7所示。其中,k90為90°線上某點(diǎn)到孔洞中心距離與孔洞半徑的比值。

圖7 90°時徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力函數(shù)

通過極坐標(biāo)對孔洞周圍應(yīng)力分布的分析驗證了應(yīng)變變形下的拉壓應(yīng)力分布,即應(yīng)力分布主要分布在孔洞邊緣處,在接近于兩倍半徑后的區(qū)域,應(yīng)力分布變化區(qū)域逐漸平緩,更遠(yuǎn)處的應(yīng)力分布所受到影響幾乎可以忽略不計。

為研究整個平面的應(yīng)力分量分布,本文對應(yīng)力分量函數(shù)0°～180°的角度進(jìn)行了有限劃分之后,得到0°～180°的應(yīng)力函數(shù)圖像,如圖8～10所示。其中,γt、γc、γr分別為徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、切向應(yīng)力與所施加應(yīng)力的比值。

圖8 徑向應(yīng)力函數(shù)分布

由圖9可知,在達(dá)到2倍半徑之后,環(huán)向應(yīng)力隨徑向距離變化明顯降低,之后的環(huán)向應(yīng)力變化只隨著角度的改變有著均勻變化。在角度為0°～90°區(qū)間時,環(huán)向應(yīng)力隨角度增大而增大,在圓孔底部邊緣即角度為0,且r=a時,環(huán)向應(yīng)力分量為-1倍的正應(yīng)力,即底部發(fā)生張拉破壞,當(dāng)角度達(dá)到90°,且r=a時,環(huán)向應(yīng)力最大達(dá)到了3倍正應(yīng)力,即最大的壓破壞發(fā)生處就在圓孔的左右兩邊邊緣,當(dāng)徑向向外延伸時,壓力便會迅速下降,最后穩(wěn)定于一點(diǎn)。

圖9 環(huán)向應(yīng)力函數(shù)分布

由圖10可知,在圓孔周邊切向應(yīng)力很小,隨著徑向的延伸,切向應(yīng)力迅速擴(kuò)大且在后續(xù)隨著半徑的擴(kuò)大過程中切向應(yīng)力的變化也不明顯,只是存在著角度的差異化,由圖像可知,在0°～45°區(qū)間切向應(yīng)力繞順時針由0逐漸增大,在45°～90°區(qū)間切向應(yīng)力繞順時針逐漸減小至0。同樣地,在90°～135°區(qū)間切向應(yīng)力繞逆時針由0逐漸增大,在135°～90°區(qū)間切向應(yīng)力繞逆時針逐漸減小至0。

圖10 切向應(yīng)力函數(shù)分布

2.3 損傷演化規(guī)律

在循環(huán)加卸載過程中所輸入的能量是一定的,由于巖樣的差異導(dǎo)致了所產(chǎn)生的彈性能與耗散能不同,在最終巖樣破壞的過程中離不開其位移場的分布與變化,位移產(chǎn)生的原因即存在應(yīng)力場,因此可以通過應(yīng)力分布得到位移場的分布,最終描繪出位移場等勢線,從而得到其應(yīng)力分布,分析其損傷演化等規(guī)律。

在對干燥與飽水巖樣的循環(huán)加卸載中,通過數(shù)字散斑監(jiān)測手段,得到了應(yīng)變等勢線圖,如圖11、12所示。

圖11 A組數(shù)字散斑應(yīng)變場對照

圖12 B組數(shù)字散斑應(yīng)變場對照

整體上來看,巖樣破裂初期全都是在圓孔左右兩側(cè)產(chǎn)生裂縫,與理論計算上在左右兩側(cè)所產(chǎn)生的壓破壞最大所吻合。另外在角度為30°(150°)且處于圓孔邊緣時,三項應(yīng)力分量均為零,在徑向不斷延伸后逐漸增大且各自發(fā)生不同趨勢的變化,理論變化趨勢如圖13所示。

圖13 30°時徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和切向應(yīng)力函數(shù)

從散斑的形變等勢線上來看,不論是干燥或是飽水,都在最終的破壞前有一個約30°的等勢分界線。對于干燥巖樣來說,在循環(huán)的前期角度特征就比較明顯,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,最終下方角度特征顯現(xiàn)為近似正三角形,上部特征相較于下方不夠明顯。而在巖樣飽水之后,其角度的特征顯現(xiàn)就被削弱了很多,只是在圓孔的周圍顯現(xiàn)更為明顯一些,稍微距離圓孔較遠(yuǎn)的應(yīng)變就呈現(xiàn)出了整體壓變形的狀態(tài),圓孔存在的影響被極大地弱化了。因此可見在飽水之后的應(yīng)力應(yīng)變傳遞出現(xiàn)了明顯的改變,即由于應(yīng)力所引起的角度范圍內(nèi)的應(yīng)變傳遞在飽水后產(chǎn)生了擴(kuò)張。理論上的角度是能夠不隨徑向距離的增大而變化的,但是在實際的試驗過程中卻有著不同程度的差異化,研究發(fā)現(xiàn)巖樣弱化之后更不容易保持原有的角度特征。由于三角形具有穩(wěn)定性,而干燥巖樣的變形區(qū)大致接近于三角形,因此在干燥條件下巖樣更容易保持穩(wěn)定性與試驗結(jié)果保持一致。

在循環(huán)的過程中,由散斑的變形等勢線可知,其變形區(qū)域一直維持著固定三角形狀,只是隨著循環(huán)的進(jìn)行,形變區(qū)域逐漸接近于圓孔周圍,形變量逐漸增大,因此所受到圓孔的影響也越來越大,最終發(fā)生破裂。

由加載階段和卸載階段聲發(fā)射特征參數(shù)變化規(guī)律可知,塑性能可以利用加載階段聲發(fā)射計數(shù)和能量表征,耗散能可以利用卸載階段聲發(fā)射計數(shù)表征,具體如圖14所示。

圖14 循環(huán)次數(shù)-振鈴加卸載曲線

由試驗數(shù)據(jù)可知,首次加載過程中會產(chǎn)生大量塑性能,接下來的循環(huán)過程中塑性能下降且趨于平穩(wěn),在失穩(wěn)前的幾次循環(huán)中塑性能再次大量聚集且遠(yuǎn)超首次聚集的塑性能量。在相較于干燥狀態(tài)下的巖樣,在經(jīng)過飽水處理后首次的循環(huán)所產(chǎn)生的塑性能很少且在后續(xù)的循環(huán)中也沒有明顯的上升或是下降,但是在最后失穩(wěn)前的循環(huán)中依然與干燥狀態(tài)的巖樣一致,會明顯的塑性能大幅提升的效果,但是對于干燥巖樣提升后的最終能量依然有著很大差距。

對于耗散能而言,前期的循環(huán)過程中耗散能變化不大,一致是比較平穩(wěn)的波動,在巖樣失穩(wěn)破壞前的循環(huán)中將有大量耗散能,呈現(xiàn)出大幅提升的效果,相較于干燥狀態(tài)的巖樣,飽水巖樣在前期的呈現(xiàn)的效果與其大致相同,但是在前期的循環(huán)過程中飽水巖樣的耗散能無限趨向于零,只是在最終破裂前的循環(huán)中出現(xiàn)少量的耗散能。

結(jié)合圓孔周圍應(yīng)力分布分析,巖樣在干燥情況下應(yīng)力應(yīng)變分布較為集中,其影響范圍較小,只是集中在特定角度之內(nèi),飽水情況下應(yīng)力應(yīng)變分布比較分散,幾乎在巖樣底部都存在形變。而巖石在受力初期只是發(fā)生細(xì)微的彈性形變,只有在應(yīng)力達(dá)到一定程度時才會出現(xiàn)塑性變形,由于飽水后的巖樣受力比較均勻,受力面較廣,因此相對于干燥的巖樣,飽水后的巖樣塑性能在循環(huán)加卸載過程中明顯低于干燥巖樣,與聲發(fā)射振鈴監(jiān)測到的試驗結(jié)果一致。

2.4 損傷因子

巖石損傷演化過程,其反映出了巖石破壞的實質(zhì),巖石加載過程中就是巖石不斷產(chǎn)生形變的過程,在形變初期產(chǎn)生的形變大部分為裂隙的壓密所導(dǎo)致,因此裂隙周圍即產(chǎn)生大量損傷,因此微小的形變導(dǎo)致了損傷變量的大幅上升,在巖石破壞中期,巖石的形變大部分為彈性形變,損傷變量與形變穩(wěn)步正相關(guān),而在巖石破壞前夕,就會產(chǎn)生大量形變,損傷變量也即將達(dá)極限,當(dāng)損傷變量即將趨向于1時,巖石產(chǎn)生破壞。

對于巖石的損傷程度,損傷變量的定義為

式中:N——試樣達(dá)到破壞的時候累計聲發(fā)射計數(shù);

Nm——當(dāng)前聲發(fā)射累計計數(shù)。

由此可得損傷因子D與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,如圖15所示。

圖15 循環(huán)次數(shù)-損傷因子曲線

由圖15可知,在循環(huán)過程中,經(jīng)過飽水的巖樣前期循環(huán)中損傷因子更小,損傷因子說明了巖樣的大致破壞狀態(tài),因此說明了,飽水巖樣在前期的循環(huán)過程中遭受的破壞相對于干燥巖樣更小,所表現(xiàn)的被破壞形態(tài)更不明顯,但是循環(huán)次數(shù)的縮小又說明了飽水巖樣雖然前期破壞特征不夠明顯,但是強(qiáng)度確實大大降低下來了,結(jié)合聲發(fā)射計數(shù)隨應(yīng)力變化曲線能夠得到干燥與飽水的損傷因子細(xì)節(jié)部分的大幅提升變化均主要存在于最后一次循環(huán)中,具體如圖16所示。

圖16 干燥和飽水巖樣時間-振鈴計數(shù)

由聲發(fā)射監(jiān)測試驗可知,在經(jīng)過飽水處理過后,巖樣在初期循環(huán)的過程中,損傷破裂相對于干燥條件下的巖樣不是十分明顯,只有少數(shù)能量的集聚,特別是在前期的壓密階段,在飽水的加持之下,幾乎沒有振鈴數(shù)的顯現(xiàn)。后半段的循環(huán)中,雖然振鈴數(shù)有大幅度的提升,但是相較于前者振鈴數(shù)仍然有著一定差距。并且兩者振鈴數(shù)不論是密集程度和峰值都有著很大差異。

對于干燥巖樣,在循環(huán)過程中雖然各個階段聲發(fā)射計數(shù)都相對明顯,但是整體循環(huán)中,首次循環(huán)和最終破壞前夕的聲發(fā)射計數(shù)更為明顯,且振鈴計數(shù)較多,中間循環(huán)過程中計數(shù)相對來說較少,整體呈現(xiàn)出倒梯形。

對于飽水巖樣,在循環(huán)的過程中前期聲發(fā)射計數(shù)較少,直至后期慢慢有所上升,破裂前夕出現(xiàn)大量振鈴,整體循環(huán)過程中計數(shù)呈現(xiàn)為直角三角形。

結(jié)合干燥與飽水巖樣圓孔周邊應(yīng)力分布可知,由于干燥巖樣的圓孔周圍應(yīng)力分布呈現(xiàn)三角形,其具有承受壓力大的特點(diǎn),在第一次載荷過后的應(yīng)力載荷增加只是會使其均勻出現(xiàn)振鈴,只有在最后的破壞階段才會出現(xiàn)振鈴激增的現(xiàn)象。而飽水后的巖樣由于應(yīng)力分布不規(guī)則,承受載荷能力大大下降,因此,會在循環(huán)加壓的過程中比較穩(wěn)定地遞增性出現(xiàn)振鈴數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)通過理論計算得出了孔洞邊緣的角度為30°～150°處為特殊的應(yīng)力分布點(diǎn),在徑向延伸之后所受孔徑影響急劇下降,在5倍半徑內(nèi)的圓孔周圍徑向,徑向、環(huán)向和切向的應(yīng)力一直處于多變的狀態(tài),直至5倍半徑后,各個方向的應(yīng)力均趨于平穩(wěn)。

(2)由散斑應(yīng)變場監(jiān)測可知,干燥巖樣的應(yīng)變場平均延伸角度為58°,而飽水巖樣應(yīng)變場的平均延伸角度為152°。因此干燥巖樣延伸角度穩(wěn)定性相較于飽水巖樣更好,能夠更好地保持角度范圍的應(yīng)力分布。

(3)由散斑應(yīng)變場等勢線疏密度即最大變形發(fā)現(xiàn),在破壞前的最大變形量飽水后的巖樣比干燥巖樣增加了7.1%。即飽水后巖樣所受載荷會產(chǎn)生更多的形變。從加載及卸載時的振鈴數(shù)發(fā)現(xiàn),加載階段干燥巖樣總計數(shù)較于飽水巖樣增加了90.5%,卸載階段干燥巖樣總計數(shù)較于飽水巖樣增加了91.7%。因此得到飽水巖樣塑性變形能低于干燥巖樣。

(4)在循環(huán)過程中,干燥巖樣的振鈴計數(shù)在首次循環(huán)時峰值已經(jīng)達(dá)到損傷振鈴數(shù)最終峰值的11.4%,而飽水巖樣只達(dá)到了其峰值的0.04%,從損傷因子來看首循環(huán)下飽水損傷度只達(dá)到了干燥巖樣的8.1%。但飽水巖樣循環(huán)次數(shù)相較于干燥巖樣更少,整體強(qiáng)度更低。

(5)通過干燥和飽水巖樣的聲發(fā)射計數(shù)振鈴對比不難發(fā)現(xiàn)兩者剛度的差異,明顯在飽水后出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象,從計數(shù)的密集程度上也可以推斷出干燥情況下的巖樣發(fā)生的破裂要明顯多于飽水巖樣。