1、尺度效應(yīng)是材料科學(xué)領(lǐng)域普遍存在的現(xiàn)象，其根源于材料的非均勻性(對(duì)于巖體主要由裂隙引起)。本論文首先從不同角度對(duì)尺度效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，即從概率統(tǒng)計(jì)角度出發(fā)，用材料內(nèi)部缺陷分布規(guī)律、材料非均勻性模型、局部弱化模型等分析了尺度效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理；從能量耗散的角度出發(fā)，用耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)巖體變形破壞的過程進(jìn)行了探討，并揭示了承載力(強(qiáng)度)的本質(zhì)內(nèi)涵。 基于上述理論認(rèn)識(shí)，通過對(duì)室內(nèi)不同尺度系列的井陘石灰?guī)r單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬，以及對(duì)大同、潞

2、安的有關(guān)煤樣試驗(yàn)，得出了尺度效應(yīng)相關(guān)規(guī)律，并對(duì)巖樣在單軸壓縮過程中相應(yīng)的物理力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究。具體研究成果如下： 井陘石灰?guī)r單軸壓縮試驗(yàn)： 1、幾何相似不同尺度系列 (1)大尺度巖樣循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在較明顯的回滯圈； (2)大尺度巖樣裂紋的傳播情況：裂紋一經(jīng)出現(xiàn)，就不再發(fā)展，在同樣循環(huán)載荷下也不至于斷裂，進(jìn)一步加大載荷，則開始斷裂。這種情況表明巖樣內(nèi)部應(yīng)力集中系數(shù)較高，應(yīng)力梯度陡峭；

3、 (3)單軸壓縮下，大尺度和小尺度巖樣均產(chǎn)生平行于加載方向的裂隙。巖樣局部點(diǎn)應(yīng)變隨表觀應(yīng)力的變化極其復(fù)雜，是具有隨機(jī)性的變量。巖樣局部點(diǎn)軸向應(yīng)變平均值與表觀應(yīng)力近似呈線性關(guān)系，每個(gè)循環(huán)的斜率大致平行。橫向應(yīng)變平均值隨表觀應(yīng)力的增大呈波動(dòng)形增大，且在卸載過程中隨表觀應(yīng)力的減小也呈波動(dòng)形增大，只是增大的斜率小于加載過程。同一表觀應(yīng)力下，局部點(diǎn)應(yīng)變與表觀應(yīng)變相差可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，表明宏觀上均勻的巖石是具有細(xì)觀特征(細(xì)觀非均勻性)的準(zhǔn)脆性材料，其

4、宏觀力學(xué)行為是細(xì)觀特征相互作用、放大的綜合結(jié)果，而不是簡(jiǎn)單的疊加； (4)巖樣軸向應(yīng)變不均勻程度和橫向應(yīng)變不均勻程度隨循環(huán)次數(shù)的增加漸進(jìn)增大，但是在同一個(gè)循環(huán)內(nèi)，橫向應(yīng)變離散系數(shù)隨應(yīng)力的變化波動(dòng)較大，且同一循環(huán)級(jí)別下，橫向應(yīng)變不均勻程度大于軸向應(yīng)變不均勻程度，表明巖石內(nèi)部微裂紋的演化是巖石變形破壞的本質(zhì)特征，這一演化表現(xiàn)為微裂紋從均勻無序分布逐漸向非均勻有序發(fā)展； (5)隨循環(huán)次數(shù)的增加，所有巖樣內(nèi)部超聲波速會(huì)出現(xiàn)衰減，

5、衰減過程表現(xiàn)為在某幾次循環(huán)內(nèi)超聲波速在某一相對(duì)范圍內(nèi)波動(dòng)，然后急劇減小到某一較小值，在隨后的循環(huán)內(nèi)，超聲波速又會(huì)保持在這一較小值附近波動(dòng)，即超聲波速表現(xiàn)為波動(dòng)和急劇減小間隔形式衰減，表明從宏觀看來平穩(wěn)的巖石變形過程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化過程(微裂紋發(fā)展及其相互作用)卻表現(xiàn)為均勻量變和突發(fā)質(zhì)變不斷交叉進(jìn)行的現(xiàn)象； (6)巖石強(qiáng)度和彈性模量隨尺度增大呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小。巖石強(qiáng)度與彈性模量呈正相關(guān)線性關(guān)系，可以認(rèn)為彈性模量的增加根源于巖石材料

6、強(qiáng)度的增加。巖樣初始裂隙分維圖線、初始超聲波速與強(qiáng)度有一定的關(guān)系，巖石強(qiáng)度隨波速的增大而增大。 2、截面相同不同長(zhǎng)度系列 (1)長(zhǎng)細(xì)比在1-3之間，柱形巖樣的單軸壓縮強(qiáng)度變化甚微，且長(zhǎng)細(xì)比等于3的巖樣強(qiáng)度離散性最小。長(zhǎng)細(xì)比大于等于3以后，巖樣的強(qiáng)度隨長(zhǎng)細(xì)比增加而減小，且離散性增大，局部弱化現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)定性變差，破壞時(shí)的脆性增大； (2)柱形巖樣的彈性模量、變形模量、泊松比均隨長(zhǎng)細(xì)比的增大而增大，極限軸向應(yīng)變則隨長(zhǎng)

7、細(xì)比的增大而減小，且隨長(zhǎng)細(xì)比的增大，巖樣力學(xué)參數(shù)的離散性增大； (3)對(duì)于不同種類的巖石，其強(qiáng)度顯著降低的臨界長(zhǎng)細(xì)比不同。 數(shù)值試驗(yàn)：研究均質(zhì)度很高和很差的兩種不同尺度系列(方形和柱形)的不同方案試件(含各種裂隙)的單軸壓縮特征。 (1)試件尺度、均質(zhì)度、裂紋方向、單一裂紋長(zhǎng)度、裂紋密度對(duì)試件強(qiáng)度都有影響。它們對(duì)強(qiáng)度的影響程度從大到小依次排列為：均質(zhì)度，裂紋密度，裂紋方向，單一裂紋長(zhǎng)度和試件尺度。由此可見，工程實(shí)

8、際中通常出現(xiàn)的巖體尺度效應(yīng)更多的時(shí)候表現(xiàn)為巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)； (2)對(duì)于同一均質(zhì)度試件，隨尺度增大，試件破壞時(shí)出現(xiàn)的主控破裂面越明顯，破斷區(qū)越集中，越接近于均勻材料的脆性破壞。隨尺度減小，試件破壞形式趨于復(fù)雜，破裂面不唯一，破損區(qū)域越分散，越接近于非均勻材料的準(zhǔn)脆性破壞。但對(duì)于不同均質(zhì)度，試件破壞形態(tài)發(fā)生變化的尺度也不同； (3)對(duì)于均質(zhì)度較高的含裂紋試件，試件的破壞形態(tài)主要受裂紋控制，而對(duì)于均質(zhì)度較差的含裂紋試件，試件的

9、破壞形態(tài)由試件材料的非均勻性和裂紋共同控制； (4)均質(zhì)度較高的試件，破壞前，試件內(nèi)不出現(xiàn)聲發(fā)射，破壞瞬間，聲發(fā)射在某些部位同時(shí)出現(xiàn)，且隨尺度增大，試件聲發(fā)射能量增大，聲發(fā)射區(qū)趨于集中。均質(zhì)度較差的試件，在加載初期就有少量聲發(fā)射在試件內(nèi)隨機(jī)均勻出現(xiàn)，整個(gè)加載過程中，聲發(fā)射一直存在，且隨加載的進(jìn)行，聲發(fā)射能量逐漸增大，聲發(fā)射區(qū)趨向于集中在某部位。無論均質(zhì)度如何，所有試件達(dá)峰值破壞時(shí)，聲發(fā)射能量均呈現(xiàn)加速釋放態(tài)勢(shì)； (5)無

10、論方形還是柱形試件，均質(zhì)度較好時(shí)，試件峰值前應(yīng)力與加載步近乎重合，表現(xiàn)明顯的線性，峰值后應(yīng)力急跌，表現(xiàn)明顯的脆性。均質(zhì)度較差時(shí)，試件峰值前應(yīng)力與加載步表現(xiàn)出非線性行為，峰值后，應(yīng)力隨試件尺度(柱形試件為長(zhǎng)度)的減小而跌落減緩。 上述研究成果得出總的結(jié)論：巖體尺度效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)的外在表現(xiàn)，由此創(chuàng)新地提出了尺度效應(yīng)的表達(dá)式，并給出了其參數(shù)確定的一般規(guī)律。經(jīng)工程實(shí)例應(yīng)用，實(shí)證該表達(dá)式物理概念明確，參數(shù)確定簡(jiǎn)單，工程應(yīng)用方便。