循环动载作用下砂岩疲劳损伤特性及边坡稳定性动力影响因素研究

发布时间：2020-07-25 17:53

【摘要】：材料疲劳损伤特性的研究已有几十年的历史,然而对岩石类材料的疲劳损伤特性研究还是刚刚起步,岩石在循环动载作用下的疲劳损伤规律还不够清晰,理论体系还不够完善。鉴于三峡库区在频发微震作用下的边坡稳定性分析的需要,本文依托国家自然科学基金项目“微震频发对三峡库区岩质边坡动力疲劳损伤机理及稳定性研究”(41372356),以边坡砂岩为研究对象,采用文献查阅、室内试验、理论分析及数值模拟等方法系统的研究了砂岩在循环动载作用下的疲劳损伤特性;建立了考虑频率、应力水平等影响的多因素砂岩疲劳寿命预测模型,以及刚度衰减模型,并将两者运用于边坡稳定的动力影响因素研究及敏感性分析的数值计算中。对循环动载作用下岩体的破坏机理研究具有一定的意义。论文的主要研究工作及成果如下:(1)砂岩疲劳损伤试验表明:砂岩疲劳寿命随着上限应力水平的降低而增加,与上限应力的对数呈线性关系,由此建立了基于-曲线的疲劳寿命估算模型。试验结果表明,疲劳寿命受应力水平的影响非常大,应力水平越高疲劳寿命越短。加载频率对岩石疲劳寿命也有影响,在1~3Hz范围内,岩石疲劳寿命会随着动载频率的增大而增大,疲劳寿命的对数与加载频率的对数呈线性关系,其本质原因是加载速率对岩石强度的影响。通过考虑频率对岩石强度的影响,引入对应力水平的修正系数,由此建立了多因素条件下疲劳寿命的估算模型。(2)砂岩全应力应变曲线控制变形量与其疲劳极限变形之间非常接近,即控制点和破坏点之间非常接近;在加载频率为1~3Hz范围内,砂岩的极限变形量基本相同,由此说明了加载频率对砂岩疲劳破坏时极限变形的影响较小。(3)砂岩动态弹性模量及循环加载峰值应力对应的应变均呈现三阶段衰减规律,在只考虑前两阶段的情况下,采用回归分析,建立了基于剩余刚度的砂岩疲劳损伤演化规律。并结合边坡工程的特点,采用FLAC3D对岩石剩余刚度疲劳损伤模型进行二次开发,建立了一套适用于边坡疲劳损伤破坏的计算方法,将其应用于后续的数值分析中。(4)利用动力强度折减法,对一个具有两组随机裂隙的岩质边坡进行了动力稳定性分析,主要从循环动载频率、循环动载幅值、循环动载持时及循环动载波形四个方面探讨了边坡动力稳定性的变化规律。(5)采用正交设计试验,选取了四因素三水平形成了9组正交设计计算方案,利用FLAC3D计算得到各组的动力稳定安全系数。以此为指标,通过极差分析和方差分析得到了各影响因素的敏感性分析结果:循环动载持时影响因素的敏感性最高,循环动载幅值影响因素的敏感性次之,循环动载频率的敏感性略高于循环动载波形。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

加载设备,疲劳试验,采集箱

（c）反力架（d）加载头图 2.1 疲劳试验加载设备Fig. 2.1 Loading equipment of fatigue tests2.2.2 数据采集系统（a）应力采集箱（b）应变采集箱图 2.2 应力应变数据采集系统

采集系统,采集箱,脆性岩石,轴向变形

18（a）应力采集箱（b）应变采集箱图 2.2 应力应变数据采集系统Fig. 2.2 Stress-strain data acquisition system由于砂岩属于脆性岩石，试样发生破坏时其轴向变形一般较小。一般而言，

试样加工,设备图,煤矿灾害,数控磨床

19C（切割机） D（M250 数控磨床） E（波速测试仪）图 2.3 试样加工设备图Fig. 2.3 Machining equipment of rock samples本次试验使用的砂岩试样均在重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验

【参考文献】