文摘

为了揭示前期压力水平的影响在花岗岩的疲劳损伤特性,单轴疲劳试验的花岗岩具有不同前期压力水平的基础上进行了MTS 815.04岩石力学测试系统。结果表明,在相同数量的周期,前期的失败程度增加而增加的压力。低上限的循环应力下,正切模量和耗散能量的增加显著增加前期压力水平在早期阶段的循环加载,而增加的趋势不明显的增加在后期阶段前期压力水平。高上限的循环应力下,正切模量和耗散能量更少受到前期应力水平的影响。弹性释放能量不明显的发展趋势与前期应力水平的增加,影响较小的周期的数量。从定义的损伤参数耗散能量,在低循环上限应力下,初始伤害更少受到前期应力水平的影响。与周期的数量的增加,前期应力水平的影响对损伤变量的发展趋势逐渐增加。和损伤变量的发展趋势显示“位于”伤害。

1。介绍

岩石疲劳损伤发生在循环荷载下,伴随着裂缝的起始和扩张过程,进而影响工程稳定(1]。在一些实际工程中,岩石在不同的位置可能会在不同的应力状态。例如,在库区岩石在不同深度受到不同的侧压水。岩石在不同距离释放表面受到不同隧道施工过程中应力状态。高压力水平会导致岩石的内部结构缺陷。一旦循环荷载作用下,岩石断裂演化过程和疲劳特性将受到影响。

近年来,大量的实验研究已进行的疲劳特性与不同类型的岩石初始损伤。Mokhfi et al。2,3)声发射(AE)技术用于检测和发现,高温会导致裂缝的形成,和岩石内部微裂隙的扩展,从而影响岩石的力学性能。杨和胡4]研究红砂岩的变化与初始伤害引起的交变载荷在高温、蠕变和渗透率。王等人。5)发现,受到不同的热损伤,花岗岩的动态强度和变形能力降低循环冲击载荷下随着温度的增加。夏et al。6,7)进行了循环荷载试验对玄武岩和花岗岩受到温度,发现岩石的峰值应变随温度和循环荷载的增加增加,而弹性模量显示了相反的趋势。Mambou et al。8,9),分别研究了高温对岩石的内部损伤的影响的物理和力学性能。李等人。10)使用MTS电液闭环测试系统进行压力控制冰饱和周期测试样本,得到了结论:动态杨氏模量与频率的增加,增加围压和含砂量,但随着应变的增加和温度下降。基于损伤力学理论,朱et al。11)提出了疲劳损伤模型,它可以反映温度损伤,和最初的疲劳损伤。陈等人。7,12)发现,岩石的疲劳寿命随温度的增加,和损伤参数与疲劳寿命有一个线性关系。上述研究表明高温疲劳损伤特性的影响的岩石应力-应变特性和弹性模量的角度。

此外,一些学者研究了岩石在不同冻融条件下的疲劳损伤特征。凌et al。13)研究温度的影响,含水量和围压对动态弹性模量的比值和采用刚度和阻尼比进化模型建立了应力-应变曲线分析的进化规律的刚度和阻尼比长期低水平重复循环荷载作用下冻土。李等人。14]研究冷冻砂岩样品在断裂的疲劳特性和饱和度和发现,与unfractured和冷冻砂岩样品相比,骨折和冷冻砂岩样品有更明显的疲劳的影响。刘等人。15,16]发现,由于初始微裂缝和疲劳现象,冷冻样本的移动轴刚度迅速降低最初的循环周期,逐步稳定周期的数量的增加。王等人。17对花岗岩冻融处理后)进行疲劳测试,发现产生的冻胀力水冰相变导致裂纹尖端损伤的积累。赵et al。18]研究了水力裂缝通过应变局部化的演变进化定律double-crack花岗岩在基于数字图像相关的水力压裂。柯et al。19,20.]发现砂岩由于冻融风化的内部损伤,建立了一个统一的模型来描述动态的恶化在反复冻融风化岩石材料的机械强度。这些结果表明,冻融作用导致岩石的内部损伤的加重,从而降低岩石疲劳载荷下的力学性能。

正如上面提到的,大部分的研究集中在高温和冻融作用对岩石疲劳损伤特性,和一些研究疲劳损伤和变形特征不同前期应力状态下的岩石。本文的花岗岩单轴疲劳试验不同的前期压力水平进行了花岗岩样品。变形特性、力学特性和疲劳特性分析了花岗岩研究的影响,前期应力水平的疲劳损伤特征的岩石。

2。测试设备和测试计划

2.1。样品制备

在这个实验中使用的花岗岩样品来自Tuanshan村,黄白,汨罗市,岳阳城市,湖南省。样本来自同一块钻,切成圆柱体直径50毫米和100毫米的长度。他们准备严格按照国际岩石力学学会的标准(ISRM)。此外,该偏差控制在0.5毫米,和端面的不平行度小于0.03毫米,如图1。x射线衍射相分析表明,样本主要包含石英(0.4%)、黑云母(23.8%)、钠长石(7.1%)、微斜长石(47.6%),和正长石(16.1%),如图2。样品的平均密度是2.62克/厘米³与纵波速度是3240米/秒和3320 m / s,可用于确保均匀的样品和测试结果的可靠性。

2.2。实验设备和测试计划

MTS 815.04岩石力学测试系统被用来进行疲劳试验,这是由液压泵、主机、伺服控制单元、数据采集单元,如图3。其刚度达到10.5×10⁹N / m,最大轴向力是4600 kN。三套单轴循环负载测试在不同前期压力系统上进行。此外,三种不同的上循环应力限制设置在相同的前期应力水平分析是否花岗岩不同前期应力水平下的疲劳损伤特征显示类似的法律在不同的循环应力上限。该计划如表所示1。花岗岩的疲劳损伤特性,主要研究了在疲劳初期,它只占整个循环过程的一小部分。所以,所有标本的循环周期设置为300周期。轴向位移控制方法与0.001毫米/秒的速度首先用于加载到一定压力(前期应力水平),然后力卸载循环应力10 MPa的下限;在那之后,进入循环负载测试阶段。加载波形是正弦波,1 Hz的加载频率。每组测试300次后停止。应力路径如图4。

3所示。实验结果和分析

3.1。应力-应变特征

在相同的循环上限应力,应力-应变曲线形状是前期应力水平的影响。循环应力的上限125 MPa为例,如图5。结果表明,当负载应用到前期应力水平,相对应变逐渐增加前期应力水平的增加。例如,当前期应力水平为125 MPa, 130 MPa,和135 MPa,相对压力是0.002770,0.00295,和0.00302,分别。可以看出,岩石样本的内部缺陷与前期应力水平的增加逐渐增加。在循环加载阶段,岩石循环载荷作用下的应力-应变曲线表现出明显的周期滞后周期演化趋势,和演变趋势相对密集。下限的初始磁滞回线和最后的磁滞回线的上限压力的增加逐渐远离原点前期应力水平。它表明,岩石的疲劳损伤程度逐渐增加。

3.2。弹性模量

3.2.1之上。弹性模量与前期应力水平进化定律

弹性模量是岩石的重要力学性能之一,它反映了岩石抵抗变形的能力。随着弹性模量的增加,硬度逐渐增加,岩石是更难变形。因为造成的损害岩体的加载,加载和卸载曲线不一致,形成一个磁滞回线。装运部分的弹性模量定义为办公自动化部分的应力-应变曲线的斜率在加载阶段,即切线模量,如图6。

为了探索前期应力水平的影响在切线模量、切线模量之间的关系图和前期应力水平不同周期下的加载过程,如图7。

一方面,切线模量通常呈现出一种上升趋势与前期应力水平的增加。这是因为,在循环荷载之前,内部微裂隙的闭合程度不同前期压力水平下是不同的。与前期应力水平的增加,微裂隙闭合程度的增加,变形趋势降低。因此,切线模量随前期应力水平的增加。

另一方面,切线模量显示不同的发展趋势与前期应力水平的增加在不同循环应力的上限。低上限的循环应力下,在第一周期的切线模量与前期压力水平的增加显著增加。与周期的数量的增加,切线模量的发展趋势是逐渐稳定。相反,在整个周期的切线模量趋于稳定的高上限下循环压力。样品通常经历初始疲劳阶段,恒定速度阶段,和加速阶段在整个循环过程中,和切线模量显示了相同的趋势。在低循环应力的上限,因为外力所做的功的样本很小,岩石样本经过初始阶段的疲劳,导致一个长期的过程从压实样品内部的微裂纹的稳定。它可以进行不同的前期压力水平循环荷载试验的早期阶段的切线模量有很大的影响。与周期的数量的增加,岩石的裂纹在循环荷载逐渐压缩,倾向于稳定状态到恒定速度阶段,弹性模量也进入了一个稳定的状态,同时,在循环应力上限高,样品上的外力做更多的工作,从而导致短期内微裂隙的压实阶段样品和快速进入稳定状态。结果表明,前期应力水平下的切线模量几乎没有影响高上限的循环应力。

它可以得出,随着周期的数量的增加,相同的切线模量前期压力逐渐增加。前两个循环加载下的切线模量大大增加,但增加不明显。也就是说,新生成的伤害从第三周期非常小。

3.2.2。进化发展规律的趋势

根据切线模量的变化趋势与前期相同数量的压力水平周期如图5,k值代表介绍了弹性模量变化的斜率随着前期应力水平的增加相同数量的周期。拟合后,之间的关系k和数量的周期。在相同的循环上限应力下,发展趋势之间的关系k价值和数量的周期是绘制,如图8。为了探索切线模量的变化趋势之间的关系和数量的周期相同的循环上限应力下,法律的发展k价值在不同循环应力极限进行了分析。

它可以清楚地观察到的发展趋势提出了一种不同的循环上限应力下的成反比关系。的发展趋势是逐渐稳定的循环应力的增加上限。此外,逆函数是用来适应发展趋势k值的拟合程度很高。该函数可以描述岩石弹性模量的发展趋势与前期应力水平的变化在不同的周期。

因此,可以推断,前期应力水平的影响在切线模量随循环应力的增加的上限。低上限的循环应力下,正切模量大大影响前期压力周期的早期阶段。相反,前期压力水平没有影响下的弹性模量高的循环应力上限。

3.3。耗散能量

3.3.1。能源构成

的基本属性是能量耗散的岩石岩石变形和破坏。它反映了连续关闭微观缺陷岩石本身,如微裂隙和孔洞,新裂缝的发展和演变,不断削弱和最终的材料强度的损失。

岩石变形和破坏的过程中,与外界交换物质和能量总是,变形和失败可以被看作是能量耗散的损伤演化过程(21]。因此,可以讨论岩石的力学响应特性,并从能量的角度解释道。在加载过程中,假设没有测试系统和外部世界之间的能量交换。此外,总只外力做的功转化为弹性释放能量储存在岩石和耗散应力过程中的能源消耗。公式如下: 在哪里U是所做的总功外力在岩石上在测试;U^d表示为耗散能量;U^e表示为弹性释放能量。

结合单轴循环加载的试验条件,循环荷载下的能量分布如图9。耗散能量U^d是由加载曲线包围的面积,卸载曲线和应变轴。弹性释放能量U^e由卸载曲线包围的面积垂直线的最大应变ε′和应变轴。

因此,能量耗散和弹性释放可以通过积分计算:

3.3.2。进化过程的弹性释放能量

图10表明,弹性释放能量变化的曲线与前期相同的循环上限应力下的应力水平和相同数量的周期,和相应的数据表中列出2。可以看出,弹性释放能量变化小的增加前期应力水平,及其发展趋势在几乎保持不变的增加数量的周期。原因是弹性释放能量是能量积累的样本在弹性变形和卸载期间公布。发展趋势主要与岩石的弹性性质有关。它表明样品表现出相似的弹性在不同前期压力水平。因此,可以推断,前期压力水平没有影响弹性释放能量,这是影响较小的周期。

3.3.3。演化过程的耗散能量

图11显示了耗散能量的变化曲线与前期相同的循环上限应力下的应力水平和相同数量的周期。它可以发现耗散能量增加前期应力水平的增加。原因是岩石样本经验的不同前期压力水平循环荷载之前,导致不同的内部微裂隙的发展趋势。与前期应力水平的增加,微裂隙的发展趋势逐渐增加,释放的能量,克服内部颗粒之间的摩擦增加。即耗散能量的增加而增加前期应力水平。

此外,耗散能量显示不同的趋势在不同循环应力的上限。在低循环应力上限(105 MPa),在第一周期耗散能量的趋势与前期的增加最明显的应力水平。然后,随着周期的增加,耗散能量趋于稳定的趋势。相反,在循环应力的高上限(125 MPa),消散的能量基本上保持稳定发展趋势与前期应力水平的增加。这是因为,在低循环上限应力下,岩石样本上的外力做更少的工作。和岩石经过初始疲劳阶段,在此期间,微裂隙不断压缩。这意味着不同的前期压力水平循环荷载试验的早期阶段对耗散能量有很大的影响。与周期的数量的增加,循环荷载下的微裂隙的发展趋势逐渐趋于稳定,而前期应力水平的影响也逐渐减弱,同时,在循环应力上限高,样品上的外力做更多的工作,所以微裂隙关闭迅速,倾向于稳定状态。它表明耗散能量是由前期的压力影响较小。

因此,可以推断,前期应力水平的影响消散的能量随循环应力的增加的上限。循环载荷作用下压力的上限,消散的能量大大影响前期的早期压力循环。相反,在循环荷载下高压力的上限,前期应力水平的影响消散的能量很小。

3.4。破坏参数

岩石的破坏和其他材料在外部负载需要的能源消耗,这意味着原材料和能源消费的损害是同步的,并且都是不可逆转的。在此基础上,金等。22]提出了能量耗散可以用来定义损伤变量的岩石。下面的公式可以用来计算损伤参数基于能量耗散: 在哪里D损伤变量;消散的能量在星期吗 ,累计面积计算的应力-应变曲线所围的周期 ;U本构能量在测试过程中,应力-应变曲线包围的面积计算的整个过程。这是显示在图12。

图13显示了损伤参数之间的关系和数量的周期在不同前期应力状态。不同前期压力水平下,岩石样本的初始损伤变量保持在0.05∼0.09的范围。此外,损伤变量是位于脑部损伤的发展趋势曲线,这是类似的结论在文献[23]。位于脑部损伤曲线显示,当最大应力低于岩石的疲劳极限,不可逆变形保持稳定在很长一段时间在最初的阶段,并没有加速阶段。基于逆函数的肖et al。23)拟合方程(4),计算公式拟合程度高。它表明该模型可以反映损伤变量的趋势在不同的前期压力水平。 在哪里D损伤变量;一个,B,C,E是拟合常数。

初始损伤变量的差异在不同的前期压力很小,表明前期压力对岩石的初始伤害几乎没有影响。在低循环上限应力下,损伤变量的发展趋势逐渐增加而增加的数量周期。150年之后,它往往是稳定周期。相反,在高上限的循环应力下,损伤变量随循环数的增加基本上保持稳定。它可以推断出,前期压力水平的增加,损伤变量的变化趋势逐渐减少。

4所示。结论

作为一种非均质和复杂的地质材料,不同部位的岩体在不同初始应力状态。摘要单轴循环加载测试不同前期压力水平下的花岗岩。前期应力水平的影响在花岗岩样品的疲劳损伤特性研究视角的应力-应变曲线特征、切线模量加载部分,能源特点和损伤参数。可以得出下面的结论基于测试结果。(1)通过研究应力-应变曲线相同的循环上限应力在不同前期压力水平,发现压力大大地受到前期压力水平的影响。在循环荷载之前,岩石样本变形增加前期应力水平的增加。此外,在循环,损伤变形逐渐增加前期应力水平的增加。(2)通过研究不同的前期压力水平对切线模量的影响,结果表明,前期压力对切线模量的影响更加明显。尤其是循环荷载下压力的上限,弹性模量是极大地影响前期压力周期的早期阶段。相反,高压力上限的循环荷载下,前期应力水平的影响很小。此外,介绍了发展趋势k值,发现这个值大约是周期的数量成反比。它可以反映岩石弹性模量变化的发展趋势与前期压力水平在不同周期。(3)通过能量特征的研究,发现前期应力水平的影响消散能量较小的增加循环应力的上限。低上限的循环应力下,耗散能量明显前期应力水平的影响周期的早期阶段,而这是前期应力水平影响较小的高上限的循环应力。(4)通过定义的损伤参数基于能量耗散能量,发现初始损伤变量是由前期的压力影响较小。但是,随着周期的数量的增加,前期应力水平有更明显的影响损伤变量的变化趋势。也就是说,与前期应力水平的增加,损伤变量往往是稳定的周期的数量的增加。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢支持的金融支持本研究第二青藏高原科学考察和研究项目(批准号2019 qzkk0904),中国国家自然科学基金(批准号42007254和42007254),浙江省自然科学基金(批准号LQ20E080006),浙江教育部门的一般研究项目(批准号Y202043108)。