增量下力学行为的红色砂岩单轴周期性的压缩和拉伸加载

文摘

在红砂岩单轴实验标本调查他们的短期和蠕变增量循环压缩和拉伸载荷作用下的力学行为。首先,基于短期的结果单轴循环增量压缩和拉伸加载实验,变形特征和能量耗散进行了分析。结果表明,红色砂岩的应力-应变曲线具有明显的记忆效应在压缩和拉伸加载阶段。菌株在峰值应力和残余应变随着周期数增加。能量耗散,定义为磁滞回线的面积在应力-应变曲线,增加近一个幂函数的周期数。红色砂岩的蠕变试验也进行了。结果表明,每个压缩或拉伸应力水平下的蠕变曲线可分为衰变和稳定阶段,不能被传统的汉堡模式。因此,一种改进的汉堡蠕变模型,通过粘塑性的岩石构造材料力学,同意与实验结果很好,可以描述红色砂岩的蠕变行为比汉堡蠕变模型。

1。介绍

在许多岩石地下开挖工程等领域,岩石边坡工程和采矿、岩石材料经常经历循环荷载(1]。众所周知,岩石在循环荷载作用下的力学行为显著不同于静态载荷下(2]。因此,有必要了解岩体在循环荷载作用下的反应。

实验室检测是主要的方法来了解岩体的力学行为。因此,在过去的几十年,广泛的调查进行了岩体的力学行为在循环单轴或三轴压载荷的基础上,实验室实验结果。基于单轴循环压缩试验结果,通用电气等。3]讨论了阈值的轴向压力对岩石疲劳破坏。马等。4]和Fuenkajorn Phueakphum [5]研究了杨氏模量与加载周期退化。黄和李6]研究了应变能积累的特点,耗散和发布基于轴对称三轴压缩装卸测试结果。他等。7)进行了强度和疲劳性能的试验研究完整的砂岩样品在实验室进行动态循环加载。Erarslan和威廉姆斯(8]研究了岩石疲劳损伤机制及其与断裂韧性的关系使用布里斯班凝灰岩的岩石椎间盘标本。赵et al。9]分析了完整的蠕变行为和破碎石灰石由一系列三轴蠕变测试多级装卸循环。

上述实验结果提供一个更好的基础建设的损伤演化方程和负载循环压缩的蠕变模型。刘等人。10)提出了一个损伤演化方程对岩石在单轴压缩加载条件下盐。王等人。11)提出了一个本构模型对岩石循环荷载作用下的疲劳行为根据三轴压缩试验的结果。刘等人。12通过能量耗散)开发了一种新的损伤本构模型来描述岩石单轴压缩循环载荷作用下的行为。杨et al。13)建造了一个viscoelastoplastic岩石材料的蠕变模型,可以更好地描述三轴压缩装卸大理石的蠕变行为。Khaledi et al。14雇佣一个elastoviscoplastic蠕变模型来预测洞穴周围的应力-应变关系在构建和循环操作阶段。

值得注意的是上述研究主要集中在力学行为的循环加载下岩石抗压装卸,虽然许多岩土工程过程的稳定性,如地下挖掘,挖掘隧道,和斜率,可能以拉应力为主。因为红色砂岩的拉伸蠕变断裂强度约为1/40的压缩蠕变断裂强度(15),它是非常必要的考虑的力学行为研究中的拉应力循环荷载下红色砂岩。

为了更好地理解深部岩体的单轴力学行为,短期和蠕变试验进行了红色砂岩位于重庆市地下隧道单轴循环增量压缩和拉伸载荷作用下。基于短期红砂岩单轴循环实验结果,在峰值应力应变,残余应变、磁滞回线的面积,首次分析了红砂岩的能量耗散行为。依照蠕变实验结果,伯格斯蠕变模型被用来描述红砂岩的行为,但它被发现是不能很好地拟合实验数据。因此,构造了一个改进的汉堡蠕变模型来捕捉下的红色砂岩蠕变实验结果循环压缩和拉伸加载。改进的汉堡蠕变模型的比较与实验结果显示了一个优秀的匹配和验证提出模型的有效性。

2。标本和方法

2.1。样品制备

砂岩增量单轴循环测试标本收集从一个在重庆城市地下隧道。这个地区砂岩是红色的。平均单位重量约为2380公斤/米³。根据ISRM建议的方法,所有测试砂岩标本圆柱直径50毫米和100毫米的长度大约(见图1)。超过15标本准备测试:三个标本(数字13)常规单轴压缩实验中,三个标本(数字46)常规单轴拉伸实验,有一个标本(7号)增量单轴周期性的压缩和拉伸加载测试,和一个标本(8号)增量单轴周期性的压缩和拉伸加载蠕变试验,和剩余的标本准备补充测试。

2.2。测试设备

传统实验(包括单轴压缩和紧张)和增量循环试验的标本进行了英斯特朗1342使用伺服控制实验机的轴向加载范围0 - 200 kN。实验设置和变形传感器测量系统如图2。循环增量单轴压缩和拉伸蠕变试验的标本进行了使用一个白手起家的杠杆式拉伸和压缩流变测试(见图3)。通过消除张力支持酒吧,测试人员可以应用压缩载荷,并通过添加这个支持酒吧和删除转移螺栓,测试人员可以应用拉伸载荷容易(16]。

为了避免循环压缩和拉伸载荷作用下的古怪的力量,一个白手起家的标本夹具(15)也用于短期和蠕变循环荷载试验。试样夹具如图4。

2.3。实验装置

两种不同的增量式单轴循环压缩和拉伸加载测试是在本研究进行的,这是短期增量压缩和拉伸循环荷载试验和循环荷载增量压缩和拉伸蠕变试验,如图5(一个)和5 (b),分别。

增量循环压缩和拉伸加载试验的过程可以描述如下:首先,标本的标本安装夹具通过使用高性能树脂胶,和至少48小时所需的粘合剂是治愈(如图4)。那时夹具放置在测试机器。加载速率为0.005毫米/分钟被用来给标本循环荷载路径压缩加载,压缩卸载,拉伸载荷和拉伸卸货。不同的压力水平如20%、40%、60%和80%的标本的平均单轴抗拉和抗压强度(图5(一个))。

循环过程的增量压缩和拉伸蠕变加载试验是在另一个标本(8号)进行的。在蠕变实验中,压力也有20%,40%,60%,和80%的样品的平均单轴抗拉和抗压强度,这是一样的短期压力,如图5 (b)。每个应力水平的持续时间(每个压缩或拉伸应力阶段)是12小时。计算权重被用来应用抗压和抗拉应力水平。切换前压缩和紧张阶段,各种压力将被删除。最小影响测试结果,负荷开关过程需要在两分钟内完成。电阻应变仪是用来测量轴向应变与侧向应变的标本(如图1)。指标的大小 mm被用来衡量样本和指标的横向应变的大小 mm是用来测量轴向应变。所有的电阻应变仪有相同的120欧姆的电阻。

3所示。实验结果和讨论

3.1。常规单轴测试结果

在循环荷载试验之前,传统的红色砂岩单轴压缩和紧张测试样本进行测量他们的短期强度和变形行为。数据6和7显示了典型曲线的压力和压力砂岩试样在压缩和直接张力,分别。测试期间体积应变计算由轴向和横向应变(1)。按照红色砂岩试样在单轴压缩应力-应变曲线的加载,红色砂岩的压缩变形可以分为四个阶段(图6):(I)孔隙和裂缝闭合,(II)弹性变形、裂纹扩展(III),和(IV) postpeak软化,如图6。单轴抗压强度的标本(数字1 - 3)52.85 MPa, 56.55 MPa,和53.57 MPa,分别平均54.32 MPa的价值。当有两个或三个阶段的应力-应变曲线,红色砂岩标本(数字4 - 6)单轴拉伸载荷作用下,(我)弹性变形阶段,(2)裂纹增长,和(3)postpeak软化,如图7。试样的单轴抗拉强度(数字4 - 6)−1.39 MPa, 1.41 MPa,和−1.40 MPa,分别平均价值−1.40 MPa。 在哪里轴向应变,横向应变,是体积应变。

3.2。短期循环荷载作用下力学行为

3.2.1之上。变形特性

压力和轴向应变之间的关系下的红色砂岩标本循环渐进的单轴压缩和拉伸应力如图8。最大压应力在图810.86 MPa, 21.73 MPa, 32.59 MPa,和43.46 MPa,分别和最大拉伸应力如图8−0.28 MPa,−0.56 MPa,−0.84 MPa,分别和−1.12 MPa。从图可以看出8应力-应变曲线的滞后形成循环压缩加载每个应力路径后,压缩卸载,拉伸载荷、拉伸卸货和滞后环的面积增加的荷载应力的增加。也发现,应力-应变曲线在压缩加载阶段和拉伸加载阶段重叠。

有一定的残余应变每次循环荷载后的价值。图9显示了在峰值应力应变和残余压力循环数。发现压应力峰值应变增加近线性增加的周期数,而幂函数能更好地表达菌株之间的关系在峰值强度和周期数和残余压力和周期数之间的关系。

3.2.2。能量耗散特性

摇滚是一种自然地质材料包含关节和微裂隙。循环压缩和拉伸负荷将导致微裂隙融合,发展,和扩展,随后整个过程引起的能量耗散。考虑耗散的能量在每个加载周期()可以通过计算区域定义的磁滞回线的应力-应变曲线(17]。自装卸应力-应变曲线之间的区域代表了耗散能量密度(18),耗散能量可以表示为(19] 在哪里耗散能量,是耗散的能量密度,试件的横截面积,样品的长度,和相应的应力和应变。

根据(2),红色砂岩的耗散能量计算在每一个周期循环,能量耗散之间的关系和周期数如图10。发现耗散能量增加近一个幂函数的周期数。

3.3。标本循环荷载作用下的蠕变行为

3.3.1。循环蠕变试验结果

按照图中所示的测试过程5 (b)的红色砂岩、循环加载蠕变试验结果得到了不同的单轴抗压和抗拉应力,如图11。的压力是一样的这些短期压缩和拉伸循环荷载试验,他们持续了大约12个小时在每个压缩或拉伸应力水平。

它可以推导出图11每个压缩或拉伸应力水平,轴向和横向应变率增加,然后逐渐减少一段时间后一个常数值。根据蠕变应变的演变,每个应力水平下的蠕变曲线可分为衰变和稳定的阶段。

3.3.2。蠕变模型和参数识别

(1)汉堡蠕变模型和参数识别。根据蠕变数据压缩和拉伸应力下的红色砂岩(图11),存在瞬时应变、衰减蠕变、稳定蠕变每个应力水平下的压缩或拉伸应力阶段,和稳定蠕变应变随时间趋于某一恒定值。因此,有必要来模拟岩石的蠕变行为通过使用一个蠕变模型。我们都知道,汉堡蠕变模型的蠕变曲线从瞬时变形开始,然后它生长在一个指数下降率和往往是常数(20.),它可以被视为麦克斯韦模型和开尔文模型的结合。

伯格斯蠕变模型的蠕变函数 在哪里是压力;和弹性模;和的粘度系数。

以轴向蠕变的数据处理为例;按照(3),蠕变参数( )汉堡模型可以确定的非线性曲线拟合。发现汉堡蠕变模型参数表中列出1,图12提出了一种比较的汉堡蠕变模型曲线和红色砂岩的实验结果。从图12和表1,我们可以看到,汉堡蠕变模型可以描述下的红色砂岩的蠕变行为循环渐进的单轴抗压和抗拉应力,但模型的精度仍然需要改进。

从表1它也可以看出,在压应力下,弹性参数和随着压力的增加)稍有不同。的参数随压力的增加,而参数与压力的关系不显著。然而,参数和与压力和增加随拉伸应力下的应力。值得注意的是,由于积极的应变值,参数−2379.26 MPa的压力下−0.28 MPa。所以它可以加载应力值,以及应力条件下,具有重要意义,红色砂岩的汉堡蠕变模型参数的影响。

(2)改善汉堡蠕变模型和参数识别。它可以从图中获得11轴向和横向蠕变曲线表现出明显的非线性行为;的瞬时应变、衰减蠕变、稳定蠕变显示增加的趋势与循环数和循环加载,表明这两个周期的数量和水平应力的非线性行为的主要原因是红单轴循环加载条件下的石头。

为了更好地描述红色砂岩的蠕变行为的材料在循环渐进的单轴抗压和抗拉应力,采用粘度系数的减少假说21- - - - - -23),一种改进的汉堡可以提出岩石材料的蠕变模型,如图13。

改进的蠕变方程汉堡蠕变模型可以写成 在哪里和分别是蠕变应力和蠕变应变;和弹性模;粘度系数;是每个蠕变应力水平下的蠕变时间。

在这里, 可以表示为 在哪里是初始粘度系数;是单位时间内,其值为1;和蠕变参数,与循环数和循环加载有关。

基于压应力和拉应力下的蠕变试验数据,改进的汉堡蠕变模型的相关参数被确定的数据处理,如表所示2。蠕变曲线的计算结果和测试的图所示14,图15伯格斯蠕变模型的提出了一种比较曲线和改进的汉堡红色砂岩的蠕变模型曲线与实验结果。从数据14和15和表2,它是发现,提出了改进的汉堡模型的计算结果与测试结果吻合较好。相关系数的平方()三条曲线是超过0.982,表明改进的汉堡蠕变模型的预测精度在模拟的属性增量下砂岩单轴循环压缩和拉伸加载。

4所示。结论

摘要短期和蠕变实验的结果对红砂岩试样在单轴增量循环压缩和拉伸加载。按照实验结果、变形特征和能量耗散的短期循环荷载作用下红砂岩进行了分析,和改善汉堡汉堡和岩石蠕变模型被用来评估红色砂岩的蠕变行为。基于我们的实验和模拟结果,可以得出以下结论:(1)按照短期循环荷载下的红色砂岩单轴实验结果,stress-axial应变滞后环形成的曲线在每次循环加载和滞后环的面积与加载应力增加。抗压应力-应变曲线的加载阶段和拉伸加载阶段有明显的记忆效应。也发现,消散的能量增加了近在幂函数的周期数。(2)每个单轴压缩或拉伸载荷作用下,轴向和侧向蠕变应变率增加,然后逐渐减少一段时间后一个常数值。每个应力水平下的蠕变曲线可分为衰变和稳定的阶段。(3)相比传统的汉堡蠕变模型,提出了改进的汉堡蠕变模型具有更高的预测精度在模拟的行为增量下砂岩单轴周期性的压缩和拉伸加载。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究部分由中国国家自然科学基金(批准号重庆41302223)、科技计划项目管理土地、资源和住房(kj - 2015047),重庆3号高校青年骨干教师资助计划,重庆的基础研究和前沿技术研究项目(cstc2016jcyjA0074, cstc2016jcyjA0933, cstc2015jcyjA90012)和科技研究项目重庆市教育委员会(KJ1713327 KJ1600532)。作者还感谢杨教授Mijia宝贵的建议和改善英语的手稿,来自土木与环境工程系,北达科塔州州立大学。

引用

1. h .歌曲,h·张,d .傅,张问:“实验分析和表征岩石循环载荷作用下的损伤演化”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,88年,第164 - 157页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 答:摩,m . Karakus g . r . Khanlari和m . Heidari对伊朗伊斯兰共和国通讯社表示,“循环荷载对花岗岩的力学性能,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,77年,第96 - 89页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 陆江电气x, y, y, j .任“测试研究疲劳循环加载下岩石变形的规律,“中国岩石力学与工程学报,22卷,不。10日,页。1581 - 1585年,2003年(中国)。视图:谷歌学术搜索
4. L.-J。妈,X.-Y。刘,M.-Y。王et al .,“力学性能的试验研究岩石三轴循环加载条件下盐,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上,卷62,41,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. k . Fuenkajorn和d . Phueakphum循环荷载对力学性能的影响摩诃Sarakham盐,”工程地质,卷112,不。1 - 4,43-52,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. d·黄和李y”转换的应变能在大理石的三轴卸荷试验,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,66年,第168 - 160页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m .他:李、陈y和c·朱”动态循环荷载作用下砂岩的强度和疲劳性能,”冲击和振动卷,2016篇文章ID 9458582、8页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. n Erarslan d·j·威廉姆斯,“岩石疲劳损伤机制及其与岩石断裂韧性的关系,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,56 15-26,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. y赵,l . Zhang w . Wang et al .,“蠕变行为的完整和破碎石灰石多级装卸周期,”岩石力学和岩石工程,50卷,不。6,1409 - 1424年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. h . j . Liu谢,z .侯,c·杨和l·陈,“岩盐循环载荷作用下的损伤演化unixial测试,”Acta Geotechnica,9卷,不。1,第160 - 153页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 李,z . Wang l·乔,j .赵”花岗岩循环荷载作用下的疲劳行为在三轴压缩条件下,“岩石力学和岩石工程,46卷,不。6,1603 - 1615年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. x s . Liu j·g .宁和顾问:h . y . l . Tan“损伤本构模型基于能量耗散的完整岩石循环荷载作用下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,85新,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 问:杨,徐p, p . g . Ranjith g . f . Chen和h,“蠕变力学行为评价三轴循环加载条件下深埋的大理石,”阿拉伯地球科学杂志》,8卷,不。9日,第6582 - 6567页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. k . Khaledi大肠Mahmoudi、m . Datcheva和t . Schanz“稳定和可服务性地下能源储存洞穴岩盐受到机械循环荷载,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,86年,第131 - 115页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b . y .赵,d . y .刘董问:,“实验研究在砂岩单轴压应力和拉应力下的蠕变行为,”《岩石力学与岩土工程,3卷,第444 - 438页,2011年。视图:谷歌学术搜索
16. n . c . b . y .赵w . Liu, y和z,“岩石拉伸和压缩蠕变试验机的发展及其应用,”《实验力学没有,卷。31日。2,页238 - 242 2016(中国)。视图:谷歌学术搜索
17. l·米兰达·j·米洛舍维奇,r .盒饭,“砌石墙的循环行为加强灌浆注入,“材料和结构/ Materiaux等结构,50卷,不。1,第四十七条,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 孟,m, l .汉h . Pu和t .聂”声发射的影响和能量演化的岩石标本在单轴循环加载和卸载压缩下,“岩石力学和岩石工程卷,49号10日,3873 - 3886年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. h·谢·l·李,y榉,r·彭和y,“能源分析岩石的破坏和灾难性故障,”中国科学技术科学,54卷,不。1,第209 - 199页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. y张W.-Y。徐,j j。顾,w . Wang“弱砂岩的三轴蠕变测试高坝基的断裂带,”中南大学学报,20卷,不。9日,第2536 - 2528页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. p .曹w .有道、w .黟县、y海萍,和y Bingxiang”研究为高压软岩非线性损伤蠕变本构模型,”环境地球科学,卷75,不。货号。900年,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. b . l . Wu李、黄r和p .太阳,“实验研究和建模的剪切流变学与非持久性关节砂岩,”工程地质卷,222年,第211 - 201页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. h . h . z . Liu谢,j·d·他·m·l·肖和l .卓”软岩石非线性蠕变损伤本构模型,”时间材料力学,21卷,不。1,第96 - 73页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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