预制裂隙砂岩力学试验及断裂面分形几何研究

论文摘要

岩石是由多种矿物晶粒、孔隙及胶结物组成的复杂材料,具有特殊性和复杂性,所以研究岩石断裂和破碎问题不能完全依靠经典的固体力学理论。岩石断裂表面的几何形态具有分形特征,用分形维数可以定量地描述岩石断口表面的复杂程度。研究预制裂隙砂岩力学特性、破坏规律与分形几何特性,建立含裂隙岩石断面分形维数与力学特性的关系,具有很强的理论意义、现实意义。本课题以砂岩为对象,将砂岩制作为标准圆柱试件,选取外形完整、重度近似的9块试件编为08号,并采用电镀金刚石线锯对18号试件进行预制裂隙加工处理,得到08号试件的损伤度为0、0.060%、0.099%、0.196%、0.332%、0.513%、0.743%、1.045%、1.356%。采用SAW-2000岩石伺服试验系统对砂岩试件进行单轴压缩试验,并利用高清摄像头近距离记录试件的破坏过程。在单轴压缩作用下获取不同损伤度预制裂隙砂岩的断裂面,利用XPV-900E电脑型透反射式偏光显微镜对断裂面进行观察,并采集不同放大倍数条件下的岩石断裂面细观图像,利用ImageJ软件将获得的细观图片作二值化处理并计算其分形维数。通过对预制裂隙砂岩力学特性、破坏规律及分形特性的研究,可以得出以下结论:（1）0号完整试件峰值强度最高,其值为167.21Mpa。含预制裂隙试件1号8号峰值强度依次减小,分别为164.53MPa,157.17MPa,139.51MPa,124.64MPa,107.71 MPa,77.51MPa,74.69MPa,61.03MPa,与0号试件相比,峰值强度分别降低了1.6%,6.0%,16.6%,25.5%,35.6%,53.6%,55.3%,63.5%。即随着损伤度的增加,砂岩试件峰值强度逐渐降低,但并非均匀下降。（2）含裂隙砂岩试件峰值强度、峰值应变均低于完整岩样,不同损伤度的试件峰值强度、峰值应变的劣化程度也不同。随着损伤度的增大,砂岩试件的峰值强度、峰值应变都逐渐减小,随着损伤度的增大,其对峰值强度和峰值应变的影响都逐渐减小。但强度与峰值应变随损伤度的变化并不完全相同。（3）含预制裂隙试件与完整试件应力-应变曲线发展趋势相似,但含预制裂隙试件裂隙闭合阶段和弹性持续阶段均比完整试件持续时间短,且随着损伤度的增加预制裂隙砂岩试件弹性阶段持续时间逐渐减小。（4）完整砂岩试件主裂纹平行于加载方向出现,随着试验的进行发展到试件的两端,呈现整体破坏,破坏形式为劈裂破坏。含预制裂隙试件贯穿预制裂隙的主裂纹由预制裂隙端部产生并向上下两端扩展,破坏形式也为劈裂破坏。随着峰值强度的降低,砂岩的破碎程度减轻,裂纹的弯折程度也逐渐减小。（5）试件断裂面的分形维数随着试件峰值强度的降低均呈现逐渐减小的趋势,经过预制裂隙处理的试件分形维数均小于完整试件。砂岩断裂面在放大50倍、100倍、400倍和600倍条件下试件断裂面分形维数与试件峰值强度拟合出的线性回归方程分别y=0.00093x+1.62553,y=0.000513x+1.62049,y=0.00037x+1.62553,y=0.00066x+1.54281,相关系数分别高达0.9604,0.92789,0.9628,0.9628,即在各放大倍数下试件断裂面分形维数与试件峰值强度拟合出的线性回归方程均具有很强的相关性。（6）显微镜放大倍数增加时,扫描范围变小,可以更加详细的观察断裂面的孔隙结构,断裂面结构变化复杂程度降低,骨架结构对孔隙填充能力也降低,因此分形维数计算结果随着放大倍数增加而逐渐减小。（7）损伤度为0时,分形维数最大,随着损伤度的增加,分形维数逐渐减小。随着损伤度的增大,其对断裂面分形维数的影响逐渐减小。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁家淑

导师: 刘传孝

关键词: 预制裂隙砂岩,力学特征,分形几何特征

来源: 山东农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 山东农业大学

分类号: TU45

总页数: 72

文件大小: 4048K

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