閱讀理解-尤明慶《巖石試樣的強度及變形破壞過程》

1、閱讀拾零尤明慶巖石試樣的強度及變形破壞過程巖石內(nèi)部都有缺陷，若研究的尺度與這些缺陷分布相當，則必定要認為巖石是非均質(zhì)的。當然，在考慮范圍較大、使用更大的尺度時，巖石又可以被認為是具有均勻缺陷的材料。最為顯著的事實是，巖樣尺度越大，強度的離散程度越小。P7隨著巖樣棱數(shù)減少，抗壓強度降低，說明邊緣的棱角容易損壞，不能用來作為有效的承載面積。P8在進行巖石力學(xué)性質(zhì)試驗研究時，必須始終明確巖石材料的非均質(zhì)性，試驗結(jié)果的差異并不完全是由圍壓、加載速度、應(yīng)力路徑等可控參數(shù)引起的，巖樣也是試驗過程中的一個變化參數(shù)。P8顯然楊氏模量表示了巖樣的彈性變形特征，是材料參數(shù)，與巖樣的形狀尺度無關(guān)；而峰值之后的軟化曲

2、線只是材料的特性在具體巖樣的宏觀表現(xiàn)，并非真正意義上的材料本構(gòu)關(guān)系。P12巖樣單軸壓縮破壞形式復(fù)雜多變，通常認為，最終的破壞多數(shù)是軸向近乎平行的劈裂破壞，或稱巖樣單軸抗壓強度的降低是由于巖樣內(nèi)部的拉伸破壞造成的。P13剪切滑移作用還會產(chǎn)生垂直于軸向的拉力，其大小隨該滑移面積的增大而增大。P14如果最初的剪切滑移面出現(xiàn)在巖樣內(nèi)部，那么剪切滑移引起的沿軸向拉張劈裂面可能使巖樣側(cè)面的材料脫離主體，成為一個壓桿。細長壓桿通常產(chǎn)生失穩(wěn)而折斷，完全失去承載能力。原來儲存的彈性形變恢復(fù)，使其長度大于巖樣而彎曲。這種破壞情形會在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€上反映出來，即在應(yīng)變幾乎不變時出現(xiàn)一個應(yīng)力小幅度跌落。這種應(yīng)力跌

3、落多出現(xiàn)在峰值附近，但并不會顯著影響巖樣的整體形變過程。P14只有材料的剪切破壞才能引起承載能力的降低。P15Coulomb準則，即軸向最大承載能力T與圍壓呈線性關(guān)系：。參數(shù)Q的力學(xué)含義是：巖樣在完全剪切破壞時的單軸抗壓強度，可以作為巖樣的材料強度來看待。實際單軸壓縮過程中由于巖樣沿軸向的張拉破壞，巖樣無缺陷時的理想強度通常也是小于Q的。這就意味著，作為材料強度特性的參數(shù)Q，是不可能從單一試驗中得到的，必須通過不同圍壓下的巖樣強度進行回歸分析才能得到。P43試驗所得的峰值應(yīng)力只是巖石材料的強度在該試樣的宏觀表現(xiàn)。2不是很大時，其增加可能使沿該方向屈服的微元體需要更高的軸向應(yīng)力，也可能使該微元體

4、改變滑移方向，即不是沿最弱承載面屈服，從而導(dǎo)致微元體承載力的提高；當2較大時，試樣在2-3方向也會產(chǎn)生屈服破壞，中間主應(yīng)力的增加可能造成巖樣強度的降低。P66巖樣三軸壓縮破壞之后，即使斷裂為兩個完全獨立的部分，還可以通過剪切破壞面之間的摩擦力承載軸向應(yīng)力，即通常所說的參與強度。P86承載能力由巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦力共同構(gòu)成，兩者在屈服過程中都是變化的。在以主應(yīng)力表示時，可以認為巖樣的軸向承載能力由其材料強度和圍壓共同確定，是結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。當巖樣的軸向應(yīng)力增大到其承載能力（軸向壓縮），或者其承載能力降低到軸向應(yīng)力（卸圍壓）時，巖樣的材料強度就會降低，即屈服。軸向應(yīng)力不超過其承載能力，但承載能力

5、在變形過程中可能增大也可能減小。某些巖石在材料強度降低的過程中內(nèi)摩擦力系數(shù)增大，從而即使圍壓恒定軸向承載能力也會增加，即屈服強化。P87巖石的強度、變形和承載的應(yīng)力，三者是密切聯(lián)系的；而這種聯(lián)系的具體形式我們還很不清楚。P100殘余強度是真實巖樣破壞之后由摩擦力所維持的承載能力。P103在圍壓較低時，也就是正應(yīng)力較低時內(nèi)摩擦力的增加量小于材料強度的降低，屈服過程中承載能力減小，即屈服弱化；而在圍壓較高時，摩擦力的增加量就有可能超過巖石材料強度的降低，因而屈服過程中承載力反而會增大，即屈服強化。P109初期壓密之后的切線泊松比與巖樣形狀、圍壓以及加載方式無關(guān)，可以表示巖樣彈性狀態(tài)下應(yīng)力之間的關(guān)系

6、，應(yīng)推薦使用。P117秦四清 巖石聲發(fā)射技術(shù)概論大部分材料都是非均質(zhì)的和有缺陷的，在外應(yīng)力作用下 ，內(nèi)部強度較低的微元體在局部應(yīng)力集中到某一程度時發(fā)生破壞（產(chǎn)生塑性變形），使局部應(yīng)力松弛，產(chǎn)生應(yīng)力降，造成局部區(qū)域快速卸載，因而產(chǎn)生聲發(fā)射。材料產(chǎn)生聲發(fā)射的必要條件是：（1）局部塑性變形或斷裂產(chǎn)生應(yīng)力降；（2）快速卸載，如果卸載的時間較長，釋放的能量減小，就可能使靈敏度較低的檢測儀器檢測不到聲發(fā)射信號。此外，儀器能否接受到信號還與材料的性質(zhì)有關(guān)，如果材料的衰減系數(shù)很大，也有可能接受不到信號。P8一個瞬變信號的能量定義為，式中是電壓測量電路的輸入阻抗，為與時間有關(guān)的電壓。據(jù)此，將聲發(fā)射信號的幅度平方

7、，然后進行包絡(luò)檢波，求出檢波后的包絡(luò)線所圍的面積，作為信號所包含的能量的量度。P13塑性變形及微裂紋成核產(chǎn)生的聲發(fā)射：在應(yīng)力作用下，位錯源的作用使一個晶粒內(nèi)的屈服強度降低了，由此釋放的能量是微裂紋成核時釋放的能量為：，式中在微裂紋成核時釋放的能量比塑性變形時大，且此時起作用的位錯源也最多，那么有可能在微裂紋成核時，即在屈服應(yīng)力處，聲發(fā)射率出現(xiàn)峰值。（對真三軸也成立）P23脆性巖石中晶粒斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射釋放的能量：，式中E為彈性模量。若把閥值應(yīng)力視為晶粒開始斷裂所對應(yīng)的應(yīng)力，則初始聲發(fā)射（應(yīng)力為）釋放的能量為： P25聲發(fā)射不僅取決于材料所處的應(yīng)力狀態(tài)，而且取決于材料的力學(xué)性質(zhì)，即強度特性。聲發(fā)

8、射總數(shù)與加載速率無關(guān)，聲發(fā)射率與加載速率有關(guān)。P26低脆性巖石裂紋尖端塑性變形過程產(chǎn)生的聲發(fā)射釋放的能量：，為常數(shù)。為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，為硬化指數(shù)的倒數(shù)。P30脆性巖石中裂紋擴展產(chǎn)生的聲發(fā)射釋放的能量：試驗數(shù)據(jù)表明，晶粒斷裂對聲發(fā)射的貢獻很小，聲發(fā)射主要來自于原有裂紋的增量。對于脆性巖石，聲發(fā)射主要與裂紋擴展有關(guān)。當裂紋擴展時，釋放的應(yīng)變能： P34由于聲發(fā)射率與應(yīng)力強度因子及裂紋長度增量有較弱的對數(shù)依賴關(guān)系，一旦充分超過聲發(fā)射的應(yīng)力強度因子閥值，則聲發(fā)射率主要與裂紋擴展速率有關(guān)。Mirable曾計算出裂紋尖端塑性變形過程釋放的能量約為10-1110-7J之間，裂紋擴展釋放的能量約在10-

9、610-1J之間?？紤]到低脆性巖石裂紋尖端的塑性變形小，釋放的能量也較小，故在裂紋擴展期間釋放的能量將遠大于其塑性變形時釋放的能量，因而塑性變形過程產(chǎn)生的聲發(fā)射可以忽略。P35用一般剛性壓機加載時，過峰值強度后，應(yīng)變速率開始增長。在發(fā)生應(yīng)力降的瞬間，應(yīng)變速率達到某一極大值，此時聲發(fā)射率曲線亦出現(xiàn)一個峰值?？梢灶A(yù)料：壓機剛度越大，聲發(fā)射率第一峰值與第二峰值之間的“平靜時期”越長，第二峰值的幅度越低。若用理想剛性壓機加載，則第二峰值不會出現(xiàn)。P40連續(xù)型聲發(fā)射對應(yīng)變速率很敏感，具有應(yīng)變速率效應(yīng)。聲發(fā)射與巖石的應(yīng)變速率有明顯的關(guān)系。當應(yīng)變增加時，聲發(fā)射出現(xiàn)；當應(yīng)變減小時聲發(fā)射極少，甚至沒有。特別當應(yīng)力接近巖石破裂強度時，這種觸發(fā)作用變得越明顯。應(yīng)變控制和應(yīng)力控制試驗聲發(fā)射特性不同。應(yīng)力控制試驗中，在試樣接近破裂時，應(yīng)變速率實際上是逐漸增大的，故聲發(fā)射率會急劇升高。因此，聲發(fā)射試驗，最好應(yīng)采用應(yīng)變控制方式加載。P45巖石的不均勻性對聲發(fā)射也有影響。（1）非常均勻的巖樣中，破壞前聲發(fā)射極少；（2）不均勻巖樣中，破裂前有一些聲發(fā)射；（3）在非常不均勻的樣品中