循环荷载作用下石膏岩疲劳损伤特性及其本构模型

发布时间：2019-10-13 02:38

【摘要】：岩石在诸多工程领域中除受到恒定的静荷载作用外,还常常会受到如爆炸、冲击、震动等动荷载作用,如隧道围岩除承受围岩应力等静荷载作用外,还会受到车辆荷载等动荷载作用。周期循环荷载是最简单也是最为典型的动荷载类型,可以作为复杂动荷载作用下岩石力学特性研究的基础与关键。本文选取湖北某地区某典型隧道的石膏围岩作为研究对象,利用MTS815岩石电液伺服系统开展其循环荷载条件下的疲劳试验,同步利用SAEU2S型多通道声发射检测系统测试岩样疲劳过程中的声发射规律,利用环境扫描电镜对循环前后试样进行微观结构特征变化观察,并结合断裂力学、热力学、连续介质损伤力学等数学、力学理论及岩石蠕变的一些研究成果等进行了系统的研究,并取得了以下研究成果:1.循环荷载下石膏岩典型的应力-应变全过程曲线呈“疏-密-疏”的演化规律,疲劳过程分为循环初始、循环稳定、循环加速三个阶段。声发射信息与宏观应力应变演化相对应,二者均可以反映石膏岩内部微裂纹的发展演化。2.循环荷载条件对石膏岩疲劳损伤特性影响显著,循环应力水平高、上限应力比大、循环频率低,则每次加卸载的滞回环面积大,损伤速率较快,产生的塑性应变量大,试样的疲劳寿命相对较短,试样破坏形态宏观层次上以少量“大裂纹”为主,微观层次上以贯穿晶格且大张开度的微观裂纹为主。循环频率越高,试样的变形模量越大,试样抗疲劳破坏能力越强。3.运用统计学的观念,认为岩石微元强度服从Weibull分布,且认为岩石损伤实际上是破坏微元占微元总数的比例,并借鉴有效应力原理的概念,认为上部应力由损伤区域与未损伤区域共同承担,并建立静荷载作用下岩石的损伤本构模型。4.考虑到循环荷载与蠕变损伤过程的相似性,基于蠕变相关研究结果的启发,引入“等效应力”的概念,建立石膏岩循环荷载下的损伤本构关系,并得到损伤变量的计算方法,得出了剩余疲劳寿命的计算方法。5.利用声发射的相关信息参数建立损伤变量的演化方程,其与以宏观应力应变为基础建立的损伤演化模型具有一致的预测结果,并以此为基础探究加载过程中声发射事件发生的时序特征。
【图文】：

循环图,石膏,去水,硬石膏

犴啵嘈鄥杂锌赡苡幸徊糠钟彩犴嘌冶槐４媪讼吕础Ｍ?2.1 石膏硬石膏水化去水化循环图2.1.2 研究区石膏质岩层位分布特征据相关地质资料可知，研究区石膏质岩主要由海相蒸发沉积形成，主要赋存于三叠系嘉陵江组嘉二段、嘉四段、嘉五段，这几段地层中的石膏质岩都是比较稳定。嘉四段石膏质岩主要分布于该层的上部，厚约 48~96m，为该段地层总厚的 54%~86.5%，层位稳定。石膏质岩厚度变化不大,但分布于嘉五段的石膏质岩单层厚度在 7.5m~19m 之间，最大厚度可达到 43m，层位分布稳定，厚度变化较小。嘉二段石膏质岩与白云岩共生，组成 3 个沉积韵律，总厚度大约为 11.5~51.0m 之间，占该段地层总厚的 6.6%~30.2%

石膏岩,现场取样,试样制备,离散性

图 3.1 石膏岩现场取样加载试验试样制备：为降低因天然岩石试件力学性质差异导致试验结果离散性，在大块完整无节理石膏岩岩体上密集钻取岩样获得岩芯样。将采集的岩样采用湿式加工法加工成Ф50mm×100mm 的圆柱体，其加工精度应满足国际岩石力学学会建议实验室规范要求，，两个端面的平整度误差小于 0.02mm。加工完成后自然风干，将表面有明显破损及裂纹的试样剔除，对石膏岩标准试样进行直径、高度、端面平整度测量，剔除误差较大的试样。经过初步筛选后，为降低试件不均匀性导致实验结果的离散性，将自然位置临近的试件分为同一组，然后称重，并用油彩笔对分组试件进行编号。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

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