循环荷载作用下岩石疲劳破坏和不可逆变形问题的探讨.pdf

第 14 卷 岩 第3 期 1 9 92 年 土 工 程 报 学 V o l 14 . Ma y YAN T U G O N G C H E N G X U EB A O 5 月 N0 3 . , 19 9 2 , 循环荷载 作 用 下 岩石 疲劳 破坏 和 不 可 逆 变 形 问 题 的探 讨 葛修 润 卢应 发 (中国 科 学 院武 汉 岩 土 力学 研 究 所 ) 一 . 、 前 J s . e 目 在 周 期性 载 荷 作用 下 的岩 石 的 力 学 性 能 与岩 体工 程 的 长 期稳 定性 密 切 相 关 , 〕 〔 葛修 润 曾指 出在循 环 载 荷作 用下 度量 岩 体 的破 坏 和 强 度 。 控制 在 循环 幅 值 荷 载 林 卓英 做 了 一 定 的 工 作 。 A 欠a i, 加 载 波形 等 对 岩 石 疲 劳 寿命 影 响 的研 究 方 面 并认 为 ] 莫 海鸿 I’ , 、 吴 玉 山和 。 环 载 荷 作 用 下的疲 劳 门槛 值 和 循 环 不 可 逆 变 形 发 展 的 规律 、 , 探 讨 了 岩 石 在 三 角 波 的 单 轴循 。 静 态试验 和 循 环 试验 的 加载方式 本 文 对 试 验研 究工 作 中 的 试样 采 取 了非 常严格 的 措 施 大 冶大 理 岩 , 认 为 岩 石 单轴 疲 劳破 坏似 乎 受静 态全 过程 轴 向变 形 本 文 利 用 M叮S 电 液 伺 服 刚性压 力机 进行 了大 量 试 验研究 二 和 并 提 出 以 变形 来 葛修 润 提 出 了 岩 石 是 否 发 生 疲 劳 破 坏 和 应 力 门 槛 值 有 关 、 卜 岩 石 不 可 逆变 形 的 发 展 存 在 三 个 阶段 , 咚! 岩 石 疲 劳 门 槛值 接 近 常 规 屈 服值 。 , M O lle r 。 , 保 证 其 同一 性 良好 。 岩样 为 湖北 。 (一 )静态 试验 以 恒 定 的 应 变 率控 制 岩 石的 静 态 全 过 程 试 验见 图 1 离散 性得 到 了 有 效 的 控制 , 试 验 结 果的 重 演性 很好 种 指标 的选取 和 对 比分 析提 供 了重 要 依 据 , 。 由图 1 可 以 看 出 , 岩 样的 力学 性质 的 静 态 试验 结 果 为岩 石 循 环 试验 所 需 的 各 。 (二 ) 循 环 试 验 x 虽 然 循 环 荷载 的 幅 值 尸益 , 循 环 荷 载差 乙 P ’, 加 载 波形 等 因 素对岩 石 的不可 逆 变形 的发 展 都 存在 一 定 的影 响 对岩 石 力学 性能 的 影 响 在如 下 关 系 ‘ : 至 于 循 环 加 载 波形 , , 循环 荷 载 频 率 F , 循环 但本 文 主要 研 究前 四 种 因 素 则 仅选 取 图 2 所示 的 一 种 加 载 波 。 四 者 之 间存 。 P 二 乃P / T 到 稿 日期 , ’, 循环 荷 载 率 户 (1 ) ‘ 19 9 0 0 2 2 0 一 一 . 第3期 . 葛 修 润 等 循环荷载作 用 下 岩 石疲劳破坏 和不 可逆变 形 问题 的探讨 F = l /(Z T ) : 弋1 , ’的 7 , ”, 广 !! !女 达心 ! (2 ) ‘ , I; , 于 , : ‘ 己 00 { _ 及尸 议 燕 坦 愉 絮 , , f a m ~ 卜一 7 父 一 , , m 仇 } / } / }\ l \ 丫 一 犷一 井一 一 T I一一 r 7 又 研 _ 乙 入且 一 一 一 _ t m in . 3 ￡t , X 10 一〕 6 气 3 0 # 试 件 的 全 过 程 曲 线应 变 率 二= 8 . 1 x 10 s 一 图1 . 一, 图2 循 环加载波 形 示 意 图 研究试 验采用 的 循环 荷载 差 乙P ’ 一 (1 一 脚 尸施 分为 三 等 大循 环 荷载 差 (取 系 数 k 为4 % ) : x 中循 环 荷载差 (取 无= 25 % ) 小 循环 荷载 差 (取 无为9 0 % 或8 0 %) , 通 过 已 有 的 认 识 和 资料 分 析 在 一 个 门槛 值点 , 。 可 以初 步 认 为在 循环 荷 载作 用下 岩 石是 否 发生 疲 劳破 坏 存 此 点 可 能 为岩 石 静 态 全过 程 曲线 的 体积 压密 最小 点 C 点 可 以 通 过 静 态 试验 获 得 问题 , 。 , , 图3 曲线 n 上 的 C 点 , 本 文利 用 岩 石 在 循 环 荷载 作 用 下 的 试验结 果深 入地 讨论 了有 关 。 护 二 d心七 G _ _ _ _ _ _ _ 义 / , 2 3 , : (￡ 图3 工 al . 三 、 , ￡, 4 ) X 10 一 , 循 环 加 载 试 验 方案 , 一 自, 曲线 n , . l a l一 ￡ , 岩 石疲劳 门槛 值 的试 验验 证 参 照 同一 组 试 样 中静 态试验 所 取得 的 轴 向应 力 与体 积 变 形 曲线的 C 点 (图 3) 基准点 , 取 A 至 K 点 的 荷 载 (应 力) 水 平 分 别进 行循 环试验 。 . . 线 的 峰值 应 力 ) , 。 (外 为 试 件的峰 值 应 力 同 时循 环 试 验按 前述 大 、 , 形 . , 丙 为0 9 ~ 0 9 c 5 o . . , , 它 取 自同一组 试 件 中静态 试 验得到 的 全 过 程 曲 、 小 三 种 循环 差 值 进 行 中 环 荷载试 验 的试 样 (共6 个试 样) 得 出 同一 的规 律 : 22 以 C 点为 特 征 点 C 相应 的 荷 载 水 平为 P c c ; 取A 轴 向应 力水 平 为 a , B , D 3 点 的 轴 向应 力 水 平 丙 为 0 75 ~ 0 80 氏 丙二 a c + 0 1 P一 a c ) (a , : 。 由A 点 和 B 点 进行 循 ¹ 随 着 循 环 次 数N 的 增 加 , 环 向不 可 逆变 的 增量 越 来越小 ( 由于 测量 误差 循环 时环 向 变形的 值减少 ) º 随着循 环次 数N 的增加 , ; , 58 土 岩 轴 向 不 可 逆 变形 的 增 量 减少 增加 , 体积变 形 态试 验 ￡v , 的 增量 越 来 越 小 , 学 程 19 92 年 报 轴 向变 形 : ) 最 后 趋 于 常数 ( 图4 ; 最 后 趋 于常数 ) 其 刚度 系数 基 本不 变 ( 图 5 , 工 。 另外 , 11 趋 于稳 定 » 随 着 循环 次 数 N 的 ; ¼ 岩 石 经 多 次循 环 之 后 , 再做 静 : 在破 坏 后 区用 几 个 试 件进 行 了 如 下 的 试验 对 , , , 岩 石 先加载 刚过 峰值应 力 点后 立 即 卸 载 由 于 加载 过 峰值 应 力后 岩 石 疲劳 门槛 值有所 下 降 其 门 槛值 的 下 降和 静 态 加载 发生 的不 可 逆变 形 有 关 [6] 力 小 于 岩 石 过 峰 值应 力 后 所 具有 的 门槛 值应 力 时 点 , , 对 岩 石 作 循 环 试验 时 , , 当循 环 幅 值 应 其 变形 规 律和 刚度 系 数仍 具有 丰述 四 个 特 。 噜 翔 X 10 ￡一 49 # 试件 的循 环 次数 和 变 形 曲线 图4 1 N 一 : t :, . . 1 N 一 ￡: 2; 1 N . 一 : 。, 幅 值 荷载 P ’ = 56 = 8 1 X 10 . a P 以 上 试验 结果 明 确 地 显 示 了在 循 环 荷载 作用 下 关 , 当循 环 幅 值荷 载低 于 门槛 值 时 , 岩 石 的 刚 度也 不 因 循环 而 急剧 下 降 C相当 。 一 5 5 一 ’ 岩 石 是 否 发 生 疲劳 破 坏 和 应 力 门槛 值有 、 , 轴 向 环 向 和 体积 变 形 趋 于 稳定 , 且 门槛 值 与静 态 试 验 的体 积变 形和 应 力 关 系 曲线 的拐 点 当 循 环 荷 载 幅 值 高 于 门槛 值 时 发 生破 坏 , 随着 循环 次 数 的 增 加 , 49 # 试件 的静 态 曲线 图5 , 循 环 试 验的 变 形 规 律 与前 述截 然 不 同 , 岩石 疲 劳将 。 四 、 岩 石 疲劳破坏 和 不 可 逆 变 形 特 征 取 图 (3 ) 所示 的 D 一 K 点所 对应 的 荷 载 作 为循 环 试 验 所 对应 的 幅 值荷 载 , 相对 应 的 轴 向 应 ; c +0 5 c ) 沂= 氏 = 氏 + 0 8 力值为 丙 二 al = 氏 + 0 l ( 外 一 氏 ) 几 二 丙二 u ( 外一 a ( 外 + 氏) 丙 = 勺 ; . : 。。 ; . . x 一介 a 岩 石 循环 试 验分 为 在 峰值 以 前 的 循 环 荷载试 验 和 静 态 加 载 过峰 值 后 卸 载 作循 环 试 验 两大 类 。 # 将 循环 载 荷作 用 下 注“ 试 件 的应 变 和 循 环 次 数 的 关 系 曲线 ( 图 6 曲线 1 W V ) 与 6 试 n ) 作一 对 照 可 以分 析 体积 应 变 的情 况 循 环加 载 试 验 的初 始 件 的 静 态 曲线 ( 图 6 曲线 I 点 C 相 当 于 静态 加 载试 验 的 5 点 其体积 变形 是压 密 的 随轴 向应 力的增 加而 达 到 峰值 P ( 图 3 , , l 中 5 点) 2 , ￡v 为 微 膨胀 荷 载 试 验来 说 , : v一 , 当 轴 向应 力 与 5 点处 于 同一 水 平 线 时 1 N 曲线 的初 始 点 为 C : 的继 续 增加 : 。 , 也 经历 了 C 点上 而 发 生 急剧 膨胀 , 。 , 1 3 , 此 时 的衍 为 凡 点 1 它 与静 态 的 5 点相 对 应 ; 2 Z ; 此 点 之后 变 形急 剧 增 加 , 。 对 于循 环 随循 环次 数 的增 加 C 点 的量 值 相 当 于 静 态 曲线 5 点 的量 值 ; , 港 近 破 坏 时 的C 点 l, , 岩 石发 生破 坏 , 。, 随着循 环 次 数 。 图6 表 明 C 点 3 . 葛 修 润等 循 环荷 载 作 用 下 岩 石疲 劳 破坏 和不 可 逆 变 形 问题 的探 讨 第3 期 与 凡 点 大致 相 当 。 , 当 应 力水 平超 过 门槛 值 时 向 后 区 过 渡 (图 中 箭头 所示) 的增 加 而 降低 。 ￡1 1 对于 变 形 是 增加 的 也有 大 致 的对应 关 系 。 , 相 当 于 静态 曲线 上 从 相 应 点 因此 , 岩 石的 强 度 随 循 环 次 数 。 从 循 环 试验 中芜一 Y 记 录 仪 反映 的 轴 向 荷载与 轴 向位 移和 环 向位 移 的 迟 滞 回 线可 以 看 出 循 环 幅 值 荷载和 荷载差越 大 逆 变 形就 小 响 , , 单 位循环 产生 的 不 可逆 变形 亦大 2 ) 我 们研 究 了循 环 荷载 差 借 助公式 (1 )和 ( 。 、 , 试 验结果表 明 : 、 荷载 差 荷载 率 反之 荷 载率 、 , 单 位循 环 产 生的 不 可 频 率对 岩 石 疲 劳寿 命 的影 ; 频 率对 岩 石 循 环不 可逆 变 形 的 发展 都有一 定 的 影 响 、 但荷载 率 和 频率 相 对 幅 值荷载 和 荷 载差 的 影 响 可 以忽 略 不 计 荷载 差 所决定 ; , , 即 岩 石的疲 劳 寿 命 主要 由 幅值 。 p 旧 S }又 飞 二 短推泛二瓦 I、 、 In 了、日 勺 J C 一 、沪 J 、J , _ , 、 † 二 Jr ·, 尸 r —T 习 入 3 川 胡 卜夕|! 引 们 矛 ’ m } 1{/ C 擎 3 4 ￡, 1 , ￡ 、X 10 到 立“r 1 。 乙 80|叨 l C 份 一 一 。 。 ! 洲 浏 .. 口 1 C ‘ 月 C 一- - - 人- ~ 一 ‘~ - 日- 0 一 1 2 图6 1 . 巩 1 一 ￡v , 1 . 山 : 一 ￡1 1 , 4 3 ￡、、, ‘: : , ￡ 、 ) 只 10 一 3 一 不 可 逆 变 形发展 对 照 图 二= 5 z x zo . 一 , s 一,, Il N . 一 ‘ 。, IV . 万 一 ￡: : , V . N 一 : : , , 幅值荷载 尸 二 10 7 P a ’ 五 , 、 循 环 荷载 下 岩 石 疲 劳破 坏 控制 量 问 题 比较 岩 石 疲劳 破 坏 的不 可 逆 变 形 的 最 终量 和 静 态 全 过 程 破 坏 后 区 疲 劳幅 值 荷 载所 对 应 的 不 可 逆 变形 的大小 , 可 以得 出一 个 重 要 结论 : 岩 石 在 循环 荷载作 用 下 发生 疲劳 破坏 的 控 制量 、 为变形 总量 在 轴 向变 形 环 向变 形 和 体积 变形 三 者 中 尤 以体 积变形 作为控 制量 为最 佳 ( 图 , 7) 。 , 岩石 损 伤 的发 展 在宏观 上 主 要 表现 为变 形 , 当 岩石 内部的 裂源 等发 展 时 值就增加 。 环 形 变 形 比 轴 向变形 更 能反 映岩 石 损 伤的 发展过 程 展的 度量 , 。 也是 内部裂 隙闭 合 的 度量 控 制量 量的 缺 点 “ 张开 ” 还是 “ 闭合 ”。 宏 观变 形 的量 轴 向 变形 既 是 内部 裂 隙等发 在 大量 裂隙等 张 开 的 同时 体积 变 形 能整 体反 映 岩 石 内部 的裂 隙是 , ; , , 不 免有 少量 裂 隙的 闭合 , 选 择 体积 变 形 作 为 疲 劳 破 坏 还 避 免 了岩 石 静 态 破坏 以第 二 类 形 式 发 生 时 轴 向 变 形 不能 作 为岩 石 疲 劳 破坏 控制 夕 。 60 土 岩 工 程 学 。 r 一 ’ 弋匕 山 。 . 个 一一 峰 值应 力 前 峰 值应 力 后 疲劳破 坏从终 受 形 量 一 1一 3 (￡ 24 ‘ N = 10 4 8 ; , 试件 2 . a l, 一 : F . 4 1 试件 ’ (静态 ) 1 , 本 文在大量 试验 研究 的基 础 上 . N = 330; 、 3 . ( 静态 ) 3 6 试件 ‘ , N = 73; , 。 得 出 了 以 下 结论 当 循 环幅 值荷 载在 门槛 值之 下 时 加 而 趋 于 稳定 . ; , 轴向 当循 环 幅 值荷 载在 门槛值 之 上 时 . 2 0 试件 ‘ : , 本 文 试 验 得到 中 国 科 学院 武汉 岩 土 力学 研 究所 吴玉 山 且 该 点 为 静态 全 过 程 体积 变形 环 向和 体 积变 形 三 者随循 环 次 数N 的增 、 , 、 。 进 一 步 提 出 了 体积 变 形 作 为 疲劳 破坏 控 制量 的 观 点; 至于 岩 石 疲 劳寿命 则 主 要 由岩 石 本身 的 结 构 林卓英 、 循 环 幅 值荷 载和 荷载 差 决 定 、 王 金龙 、 。 关 玲刻 等 的大 力 帮助 和 支持 , 。 参 e r s a lz [ l ] eL o p o ld M Ull o rg b 一 e 儿 in te d R s se s o k Ma 1 9 8 3 l: 4 3 ~ 4 9 , un , 为u r u n Ge . 考 文 献 St u d i e s o n t h e M e e h a n i e a l B v io r (D e fo r e ha ed r Cy c lie L o a d T he . sth N ti a o n a l O R [3 ] K i h i A盆 i Pla O te . . a L o a d in g T e s ts . l ia 1 9 8 3 e n e e A u s tr a s Co n le r c n i , , o n M u lt i p la y e d S e di 一 l: 1 2 1 ~ 1 2 4 , e m n t创叹 R . . . , A u s tr a li a . , c k o S . 198 7 , ) (2 . Th e s th N ta io n a l R o e k M e e ha - . 【4 ] 莫海鸿 岩石的 内 时本 构 理 论 [ 博 士论 文] 武 汉水 利 电力 学 院 吴玉 山 , . 葛修 润 周期荷载 作 用 下 岩 石 大 型 三 轴 试验 的变 形 和 强 度特性研究 岩 土 力 学 e v i o r) o f eB h a to n a i m Me e h a n i e s C o n fe re n e e e k 〔2 ] 【5 ] N = 52; , 三 者 都 随 N 的 增加 而 增大 , 在 岩石 疲劳破 坏 受变形 所控 制 的观 点 基 础上 深 表感谢 4 语 结 试 验证 明 了 岩 石 在 循环 荷载 作用 下 存 在疲 劳 门槛 值点 的最 小 点 2 , 0 1 、一 : , : . , 六 1 4 , ) x l( ) ￡ ‘ 1 . , , 疲 劳破 坏 址 终 变形 址 J 朴 态 破 坏 变 形 量关系 图7 1 199 2年 报 , 19 87 . . 林卓英 岩 石 在循 环 载 荷作 用下的强 度 和 变形 特性 岩 土 力学 , 19 8 7 , ( 3) . 〔6 ] 卢 应 发 循 环荷载 作 用下 岩 石 疲劳 破 坏 和 不 可 逆变形发展 规律 及 损 伤本 构理论 [ 硕 士 论文] 中科 院武 汉 . 岩土 所 【7 ] , . 198 9 . 〔 澳〕布雷迪 B H G , 〔 英 〕布 朗E T 地下 采矿岩 石 力学 冯树 仁等 译 . . , 北 京 : 煤 炭 工 业 出版 社 , 9 9 1 0 .