不同加載方式下巖石斷裂面形貌的多尺度分析.pdf

1、為了實現(xiàn)從巖石斷裂結(jié)構(gòu)面的形貌特征來反推巖石形變和斷裂的力學(xué)行為和力學(xué)機理，本論文研究了巖石在不同加載方式下巖石斷裂結(jié)構(gòu)面的形貌特征差異。本論文均采用巖石力學(xué)試驗中的典型試驗—巴西劈裂試驗，分別對直徑為112mm，厚度為28mm、直徑為50mm，厚度為20mm的花崗巖巴西圓盤以及直徑為50mm，厚度為25mm的大理巖和砂巖巴西圓盤進行巴西劈裂試驗。首先，由MTS(MechanicsTesting Systems)機分別對巴西圓盤試件進行

2、不同速率的加載至斷裂失穩(wěn);其次，先由MTS機將圓盤加載至斷裂強度閾值的1/2、2/3、3/4大小，再將圓盤沿圓盤所在的平面繞中心順時針旋轉(zhuǎn)30°或45°角（自定義為:預(yù)加載轉(zhuǎn)角30°或45°），繼而加載至斷裂失穩(wěn)。最后，自定義了巖石斷裂面上中心剖線的法向量的方向角和偏態(tài)系數(shù)的概念，以及對所采集的數(shù)據(jù)，利用幾種先進的數(shù)學(xué)模型，如數(shù)理統(tǒng)計、小波分析和分形理論，進行分析和研究，從而得出如下結(jié)論:
　　1)花崗巖試件中心剖線上法向量的角度

3、分布具有明顯的尺度效應(yīng)，即隨著測量尺度的增大，法向量的方向角數(shù)據(jù)樣本的分布越來越接近于正態(tài)分布;
　　2)花崗巖試件中心剖線的偏態(tài)系數(shù)也具有明顯的尺度效應(yīng)，當(dāng)測量尺度越小時，其偏態(tài)系數(shù)越大，說明中心剖線的粗糙度越偏離自定義的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度。再者，偏態(tài)系數(shù)的改變對靜載范圍內(nèi)加載速率變化的敏感性并不明顯，說明數(shù)理統(tǒng)計方法在檢測巖石斷裂面粗糙度的變化對靜載范圍內(nèi)速率改變的敏感性方面，效果并不十分明顯;
　　3)由小波分析中的模極大法自

4、定義能量算法和信噪比，研究發(fā)現(xiàn)自定義能量、信噪比和分形變差法均能表現(xiàn)出對試件的預(yù)加載轉(zhuǎn)角的差異性，即未轉(zhuǎn)角試件的能量和信噪比分別大于預(yù)加載轉(zhuǎn)角試件的能量和信噪比，而未轉(zhuǎn)角試件的分形變差卻小于預(yù)加載轉(zhuǎn)角試件的分形變差，但在對加載速率的敏感性方面，分形變差法顯得比模極大法更為明顯，即在靜載范圍內(nèi)，加載速率越大，巖石斷裂面的分形變差越大;
　　4)試件在預(yù)加載轉(zhuǎn)角前所受的平均斷裂閾值的1/2、2/3、3/4的載荷，致使圓盤試件內(nèi)部造成了

5、一定程度的損傷，并產(chǎn)生一定量的微裂隙。這一結(jié)論基本否定了先前部分研究人員所認(rèn)定的結(jié)果，即巖石只有在斷裂破壞失穩(wěn)的瞬間才受到嚴(yán)重?fù)p傷而迸發(fā)出大量能量;
　　5)在同一加載方式下，大理巖的分形變差大于砂巖的分形變差，表明大理巖斷面的粗糙程度較砂巖的更大，并且大理巖斷面的粗糙度變化對預(yù)加載角度改變的敏感性比砂巖更為明顯，即改變同樣的預(yù)加載角度，大理巖分形變差的變化程度比砂巖分形變差的變化程度更大;
　　6)從純數(shù)學(xué)角度，進行了分形