砂岩三轴加载过程中力学特征与能量耗散特征

秦涛^1,2，段燕伟²，孙洪茹²，王磊²，刘洪磊²

1. 东北大学资源与土木工程学院2. 黑龙江科技大学黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室

摘 要：为了获得岩石加载过程力学特性与能量演化特征,开展了不同围压下砂岩力学特性试验。基于能量平衡理论,分析不同围压下砂岩加载过程能量转化规律,研究不同围压下砂岩特征应力、裂纹演化与能量耗散之间的关系。结果表明:砂岩三轴压缩加载过程中,试样的裂纹闭合应力、起裂应力、扩容应力及峰值应力均随围压增大呈线性增加;起裂应力和扩容应力可以较好的描述岩石稳定状态,起裂应力可以看作为岩石出现新生微破裂的初始应力,而岩石扩容应力可以认为是进入塑性屈服状态的标志。岩石加载过程中能量演化特征与应力-应变曲线和特征应力呈现较好的对应关系,压密阶段对应的原生裂纹压密过程能量转化率低;弹性变形及微裂纹稳定扩展阶段,外力做功转化的应变能大部分储存为弹性应变能,岩石内部损伤和塑性变形耗散的能量较小;扩容应力后的裂纹非稳定扩展阶段,岩石内部损伤和塑性变形耗散能量明显增大;峰值应力附近,积聚弹性应变能迅速转化为用于岩石破坏的耗散能。耗散比（U^d/U）随轴向应变的增加,呈现增大-减小-再增大的规律,耗散比趋势变化的转折点与裂纹闭合应力和扩容应力对应。耗散能随着轴向裂纹应变的累计逐渐增大,扩容应力前,耗散能随着轴向裂纹应变增大在低耗能水平缓慢增加;扩容应力后,伴随岩石内部裂纹的不稳定扩展、贯通,能量耗散与轴向裂纹应变近似呈线性增加趋势;峰后阶段虽然岩石承受应力降低,但裂纹持续扩展和层间滑动,能量耗散仍保持在较高水平。岩石受载变形破坏过程的能量演化可以反映岩石的损伤状态,从能量角度描述岩石的力学特性和损伤特征,对于认识岩石损伤演化具有重要意义。

关键词：力学特性;能量演化;特征应力;