（岩土工程专业论文）循环荷载与静载组合加载下岩石的力学特性试验研究.pdf

摘要 循环荷载与静载组合加载下岩石的力学 特性试验研究 专业：岩土工程 答辩日期：力一占月拳茸 作者：刘晟锋 指导教师：陈蕴生副教授 摘要 签名：，鼬糊 签名：俐 本文以樊际岩体工程为背景，对循环荷载与静凌共同作用下岩体的力学特性与破坏特征进行室内 试验研究 通过砂岩及预制裂隙水泥砂浆试样在组合加载下的室内试验，首先研究了静载加载速率、循环荷 载振幅和频率对砂岩力学特性的影响，试验结果表明：组合加载下砂岩的应变率主要由静载加载速宰 决定；弹性模量与纽台加载强度随静载加载速率的变化规律存在一个门槛值，静载加载速率小于门槛 值时，弹性模量和组合加载强度无明显变化，大于门槛值时弹性模量与组合加载强度随静载加载速 率的增加而增加；循环荷载振幅在o 0 7 6 盯, o 6 11o ：( o c 为试样单轴静载抗压强度) 之间时， 砂岩的弹性模量和组合加载强度随循环荷载振幅增加逐渐下降；随着循环荷载加载频率的增加，砂岩 的组合加载强度先增后降，频率为埘z 时强度最大；组合加载下砂岩的破坏形态主要由循环荷载振幅 决定，静载加载速率和循环荷载频率对岩石破坏时的破碎程度有影响。其次对裂隙试样在组合加载下 变形强度特性及破坏特征进行了研究，试验结果表明：裂隙倾角口= 0 0 、3 0 。时的峰值强度和弹性模 量较小随着裂隙倾角增大，峰值强度和弹性模量都呈上升趋势：组合加载强度随静载加载速率的 增加呈而降低；组合加载强度与弹性模量随循环荷载振幅的变化规律存在- - f l 槛值，这个门槛值 介于0 4 2 2 口。o 6 3 3 盯。之间，循环荷载振幅小于门槛值时，组合加载强度与弹性模量随振幅的 增加而下降，大于门槛值时组合加载强度与弹性模量随振幅的增加而增加最后基于裂隙试样的 试验结果，建立了组合加载条件下的损伤模型 关键词：循环荷载静载组合加载砂岩裂隙试样损伤 西安理工大学项士擘位论文 s t u d yo nt h er o c km e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cb yc y c l i c l o a da n ds t a t l c sl o a df i tt o g e t h e r m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n q i n e e r i n g d a t e o fr e j o i n ： a u t h o r ：l i us h e n g f e n g a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f c h e ny u n s h e n g a d v i s o r ： a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k et h ea c t u a lr o c km 麟p r o j 鳅雒hb a c k g r o u n d , 岫u g hp e r f o r m i n ga 【p 咖咖i n l a b o r a t o r y t os t u d yt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e 鲥n l c 吐o np r o l 搬l i n so f r o c km a s s , w h i c hu n d e rl h e c o m b i n e da c t i o no f c y c l i cl o a da n dt h es t a t i cl o a d b a a e do nt h ei n d o o re x p e r i m e n to ft h es a l l l d s i o l l t ea n dt h er u m p l eo fc r a c k e dc e m e n tw i t hs a n du n d e r c o m b i n e dl o a d , f i r s to f a l l ，w eh a v er e s e a r c h e dt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f s a n d s t o n ei n f l u e n c e db ys t a 五c l o a dv e l o c i t y ，c y c l i cl o a ds w i n ga n df r e q u e n c y t h et e x tr e s u l t ss h o wt h a t t h es w a i nr a t eo f m n d s w n ei s m a i n l yd e c i d e d ：b ys t a t i cl o a d i n g , v e l o c i t y t h e r ei sa t h r e s h o l dv a l u e o f t h ec h a n g el a wo f e l a s t i c i t ym o d u l u s a n dc o m b i n a t i o nl o a di n t e n s i t y , w b i c bi sf o l l o w i n gt h es t a t i ci n a d m gv e l o c i t y w h e ns t a t i cl o a d i n gv e l o c i t y l e s st h a nt h et h r e s h o l dv a l u e ，e l a s t i c i t ym o d u l u sa n dc o m b i n a t i o nl o a di n t e n s i t yd on o th a v eo b v i o u s c h a n g e ；w h e ni tl a r g e rt h a nt h et h r e s h o l dv a l u e ，e l a s t i c i t ym o d u l u sa n dc o m b i n a t i o nl o a di n t e n s i t yi n c r e a s e a l o n gw i t ht h es t 鲥cl o a d i n gv e l o c i t yi n c r e a s e s ；w h e nc y c l i cl o a d i n ga m p l i t u d eb e l m 0 0 7 6o c 0 6 1 1 盯c ( 盯ci st h es i n g l ea x i s 蚰毗i cl o a dr e s i s tp r e s s u r es t r e n g t ho fs a m p l e ) , t h ee l a s t i c i t ym o d u l ma n d c o m b i n a t i o nl o a di n t e n s i t yo fs a m p l ed e s c e n dg r 删l ya l o n gw i t l lt h ec y c l i cl o a d i i l g , , m p l i t u d ei n c r e a s e s f o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo f c y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c y ，t h ec o m b i n a t i o nl o a d i n go f t h es a n d s t o n ed e s c e n da f t e r i n c r e a s e , a n dw h e nt h ef r e q u e n c yi s1 h z , i ti sm a x i m a l ，d a m a g e dp a t t e r no fs a n d s t o n eu n d e rc o m b i n e dl o a d i sm a i n l yd e c i d e db yc y c l i cl o a d i n ga m p l i t u d e ，s t a t i cl o a d i n gv e l o c i t ya n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c yh a v e i n f l u e n c ea nt h ed a m a g e dd e g r e e s e c o n d w eh a v er e s e m c h e dt h ed e f o r m a t i o ns t 嗍, t hc h a r a c t e r i s t i c sa n d d e s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rc o m b i n e dl o a d t h et e x tr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep e a ki n t e n s i t ya n de l a s t i c i t y m o d u l i ss m a l l e r w h e nt h ec r a c ka n g l e a = 0 。、3 0 0 t h ep e a ki n t e n s i t ya n de l a s t i c i t ym o d e mp r e s e n t a s c e n d a n tt e n da l o n gw i t ht h ec r a c ka n g l ei n c r e a s e sc o n t r a r yt ot h es a n d s t o n e ，t h ee l a s t i c i t ya n dt h ec 耵咖 c a p a c i t yo ft h ec r a c ks a m p l ed e s c e n d sw i t ht h ev e l o c i t y t h ee l a s t i c i t ya n dt h e y i l l gc a p a c i t yd e s c e n d s a f t e ri n c r e a s ew i t ht h es w i n gw h e nc y c l el o a ds w i n gb e t w e e n0 2 11 盯c o 8 4 4o c a n de x i s tad o o r s i l l b e t w e e n 0 4 2 2 0 c o 6 3 3 盯c a n a l y z et ot h ed a m a g eo fr o c km a s s ，k n o wt h a td a i n a g co fr o c km a 鲳i s r e l e v a n tt os t a t i cl o a dv e l o c i t y ，c y c l i cn u a b c r , c y c f i cl o a ds w i n ga n d 丘e q u e n c yu n d e rc o m b i n a t i o nl o a d k e yw o r d s ：c y c l i cl o a d ，s t a t i cl o a d , c o m b i n a t i o nl o a d ，s a n d s t o n e , t h ec r a n n yo f s a m p l e ，d a m a g e i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 已经在西 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 尹钼棚 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 卅年6 月旷日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 研究岩石及岩体在各种复杂荷载作用下的力学性质，对采矿、水利水电、土木建筑等 岩体工程的稳定性分析具有重要的指导意义。近几十年来，由于工业及国防建设的需要， 各类岩体工程日益增多，规模日益增大，这就要求我们必须更加深入地了解在各种复杂应 力条件下岩石、岩体的力学性质及破坏机理，为岩体工程的设计和安全稳定性分析做出更 科学理论依据 白1 9 6 2 年在奥地利成立。国际岩石力学学会”以来，岩石力学得到了很大发展。目 前在岩石力学领域中，对岩石在静载作用下破坏的研究己经比较深透，对循环荷载作用下 的岩体材料的力学特性及疲劳损伤的研究也取得了一定的进展【i - 9 1 。理论和试验都表明， 岩石在承受循环荷载、静载荷时，其本构关系和力学特性有很大差掣但是到目前为 止，对于循环荷载与静载共同作用下的岩石及岩体力学性质的实验研究尚无相关文献记 载；然而研究岩石及岩体在这种组合加载下的力学特性对岩体工程的安全评价具有很大的 现实蠹义。事实上，在实际岩体工程中，有相当一部分岩体是循环荷载与静载共同作用的； 例如，洪水期时，水库的大坝及其周边岩体不仅要经受洪水水波的循环荷载冲击还要承受 因水位的上涨而不断上升的静水压力的作用。针对以上岩体工程的受力状态，本文将进行 _ 系别的室内实验，研究砂岩及裂隙试样在循环荷载与静载组合下的力学特性。 1 1 2 循环荷载下岩石材料的力学特性研究现状 1 2 1 循环荷载下材料疲劳问题的研究进展 工程中，疲劳是指材料在循环荷载作用下的损伤和破坏。 早在1 9 世纪中叶人们就发现金属存在疲劳断裂现象。并且注意到引起疲劳失效的循 环荷载的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。 疲劳破坏以许多不同的形式出现，它包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳， 循环荷载同高温联合作用引起的蠕变疲劳，循环受载部件的温度变动时引入的热机械疲劳 ( 即热疲劳与机械疲劳的组合) 在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷 时的腐蚀疲劳，荷载的反复作用与材料之间的滚动接触相结合产生自争滚动接触疲劳，脉动 应力与表面问的来回相对运动和窜接滑动共同作用产生的微动疲劳等。机器和结构部件的 失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的。 德国矿业工程师a l b r e t ( 1 8 3 8 ) 在1 8 2 9 年前后进行了金属疲劳的最初研究。c o f f i n ( 1 8 5 4 ) 和m a n s o n ( 1 8 5 4 ) 建立塑性应变造成损伤的理论。通过研究由于热受载和高应力幅载荷引 西安理工大学硕士学位论文 起的疲劳问题，他们各自独立提出了发生疲劳破坏时的荷载反向次数同塑性应变幅的经验 关系，这个关系被称作c o f f i n m a n s o n 关系。它是一种应用最为广泛的根据应变来描述疲 劳的方法。w o h l 钉( 1 8 6 0 ) 对火车车轴的疲劳破坏进行了系统的研究，并第一次提出利用应 力幅值寿命( s 峋曲线来描述疲劳行为的方法，并提出“疲劳耐久极限”的概念。g c r l e r ( 1 8 7 4 ) 开始研究疲劳设计方法，并提出考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。e w i n g 和 h u m f m y ( 1 9 0 3 ) 开始研究疲劳损伤和裂纹萌生的微观机制，通过表面循环损伤的光学照片， 并令人信服的说明，在多晶材料的许多晶粒内部都会出现滑移带，这些滑移带载疲劳形变 过程逐渐变宽，并导致裂纹形成，试样的突然破坏正是由某些主导裂纹的扩展造成的。随 着i n g l i s ( 1 9 1 3 ) 应力分析和c m f l i t h0 9 2 1 ) 的能量概念提供了定量描述脆性固体断裂的数学 工具之后，i r c s i n ( 1 9 5 7 ) 提出可以用一个称作应力强度因子的标量k 来表示裂纹尖端的应 力奇异性大小之后，p a r i s ，o o m e z 和a n d e r s o n ( 1 9 6 1 ) 首先提出，在恒幅循环加载中疲劳裂 纹在每个应力循环过程中的扩展量d a l d n 与应力强度因子范围欲有关。随后，他们的方 法被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性形变条件下疲劳裂纹的扩展。 断裂力学在疲劳研究中的应用：线弹性断裂力学方法吸引人之处在于，由远场加载条 件和裂纹体几何尺寸确定的应力强度因子范围是描述疲劳裂纹扩展的唯一参董。 随着断裂力学应用于描述疲劳破坏，l d 确和s m i t h ( 1 9 6 2 ) ，m c c l i 直t o c k ( 1 9 6 3 ) 等学者对 亚临界裂纹的扩展机制给予了更多的注意，并提出了维向模型和定量模型。试图从理论上 解释试验中所观察到的工程材料的疲劳裂纹扩展阻力。 e l b e r ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ) 试验研究指出：即便受到循环拉伸荷载作用，疲劳裂纹也能保持闭 合状态。这一结果表明，疲劳裂纹扩展速率的控制因素或许不是应力强度因子a k 的名义 值而是它的有效值。7 0 年代和8 d 年代初期的研究结果表明：e l b c r 所指出的由这种裂 纹顶端塑性形变造成的裂纹面之间的提前接触只是疲劳裂纹闭合现象的机制之一。之后， 众多学者对各种裂纹闭合的基本特征和本质进行了归类，并且用“塑性诱发裂纹闭合”这 一术语表述e l b c r 提出的裂纹闭合机制。 之后，人们逐渐认识到疲劳裂纹的扩展速率不仅与a k 的瞬时值有关，而且与加载历 史和裂纹尺寸有关。实验结果表明：当远场a k 值相同时，疲劳小裂纹( 典型的疲劳小裂纹 长度小于几个毫米，且可用线弹性断裂力学描述) 的扩展速率往往明显高于长裂纹( 典型的 长裂纹有几十毫米长) 的扩展速率。 虽然恒定的循环应力幅作用下疲劳破坏是疲劳研究的主要内容。由于工程应用中服役 条件的复杂性，对复杂荷载下、有害环境下的疲劳的机制和理论模型也有一定的进展，但 距离应用尚有一段距离。 经过1 0 0 多年的研究，找出了材料产生疲劳损伤和发生断裂的一些规律，还存在许多 问题尚需进一步研究。公开文献报导的疲劳研究大多数针对金属材料，对非金属材料疲劳 的研究方法主要是将金属材料的疲劳理论推广到非金属材料 2 1 绪论 1 2 2 循环荷载下岩石疲劳问题的研究进展 在岩石力学领域对疲劳研究所作的工作较少，而且其中多偏重对岩石长期强度的研究 1 3 - ，1 m u l l e r 和葛修润( 1 9 8 3 ) 指出在循环荷载下，岩石不可逆变形发展存茌兰个阶段j 并提 出以变形来度量岩体的变形和强度。 林卓英、吴- 2 ed j 6 通过对大理岩和红砂岩的疲劳试验研究表明：砉石的疲劳极限强度 与单轴抗压强度有关( 大理岩的疲劳极限强度约在8 5 的应力水平，红砂岩约在8 3 ) ；岩 石在循环荷载作用下，变形过程与静力燔变相似( 可分为三个阶段) “塑性变形是造成岩石 破坏的主要原因。 莫海鸿【7 】通过对大理岩和红砂岩的循环加载试验研究，分析了应力水平、加载波形、 加载率、振幅等对变形韵影响，并利用内时理论推导了岩石在循环荷载作用下的应力应 变关系。 葛修润和卢应发嘲通过大量试验研究指出：岩石在循环荷载作用下存在门槛值，且该 点为静态全过程体积变形的最小点并进一步提出以体积变形作为疲劳破坏控制量的观 点。 游大能网对岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律进行研究，得出了大理石试件的冲 击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明：在围压相同的情况 下，岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关；在荷载冲量相同时，岩石的循环冲 击损伤与冲击次数和围压有关；围压的存在提高了岩石的冲击强度，降低了岩石的损伤演 化速率；围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。 陈运平、席道瑛【1 0 l 通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验，分析了施加外力的应 变振幅对衰减的影响，认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比，提出的衰减 b 值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度。 杨永杰等【1 对鲍店矿煤岩在循环荷载们用下的强度、变形及疲劳损伤过程进行研究 研究结果表明，煤岩比其他坚硬岩石更容易发生疲劳破坏，单轴循环荷载们用下煤岩的疲 劳破坏“门槛位”不超过其中轴抗压强度的8 1 ，且在疲劳破坏“门槛位”以下进行循 环加、卸载时，也会产生一定程度的疲劳损伤，循环荷载们用下，煤岩随循环次数的疲劳 破坏过程可反映从压密、应变硬化到软化的发展过程，也可反映其损伤的演化过程。 席道瑛等【1 2 - 1 4 j 对砂岩进行了单轴循环加载试验，探讨了循环载荷作用下岩石的损伤 演化规律，分析了岩石的模量、泊松比、波速等对应力振幅和荷载频率的响应。 蒋字、葛修润【1 5 1 利用r m t - 1 5 0 b 岩石力学试验系统和l o c a n 3 2 0 声发射仪，研究了循 环荷载作用下红砂岩和大理岩疲劳破坏过程中的变形规律和声发射特征，确定了轴向变形 的3 阶段规律和横向变形的2 阶段规律，论述了选择轴向变形作为宏观损伤参量的合理性。 许n - t 1 6 】通过对周期性循环荷载作用下3 种不同应力水平时砂岩滞回曲线演化规律的 西安理工大学硕士学位论文 实验研究发现，岩石滞回曲线变化取决于应力水平等外在因素，般在较低应力水平情况 下，其滞回曲线所围的面积随循环次数增加有可能就趋于稳定，但在较高应力水平时，其 滞回曲线所围的面积随循环次数增加将呈减少一恒定一增加的演化趋势。 1 3 节理裂隙岩体的力学特性研究现状 1 3 1 节理袭隙岩体的一般情况 天然岩体中都存在着木同成因的节理、层理、片理和裂隙等软弱面。避布手岩体中的 节理：根据其发育程度及其对岩体强度的控制作用，通常被分为贯通节理、遍布节理、4 断 续节理、隐蔽节理。如果岩体中某组节理断续发育或其结构切割时并未将岩体完全隔离； 则称该组节理为断续节理1 1 7 1 。由于岩体强度和变形以及破坏形态往往受到断续节理的控 制，工程中将此类岩体称为断续节理岩体，断续节理岩体也是工程中最常遇到的岩体 从节理岩体破坏来看，宏观的剪切破坏是岩体破坏的主要方式。对于贯通节理，常是 沿强度薄弱的贯通节理面发生剪切滑移破坏。对于断续节理，由于岩桥的存在使其受力和 破坏特征发生了很大的变化。节理岩桥则对强度做出贡献。对由节理面和岩桥组成的节理 岩体力学特性进行研究，对于指导工程应用具有重要意义。 1 3 2 研究思路和方法 总的来说，节理裂隙岩体破坏机理和力学特性的研究主要是通过室内模型试验和理论 分析计算相结合的方法来进行的。 由于节理裂隙分布的随机性，岩桥位置的不确定性，对于节理裂隙岩体进行现场试验 研究是有很大困难的。因此，国内外学者多以模型试验的结果建立一种能客观评价含有岩 桥演化、扩展、贯通破坏机制的断续节理岩体的力学模型，以期能够正确认识断续节理岩 体的破坏机理和力学特性这是正确认识断续节理岩体特性的一个关键问题【1 7 】。 1 3 3 模型试验及其成果 岩体结构特性是控制岩体变形、破坏等力学特性的根本因素。通过室内模型试验研究 岩体在一定的结构特性和荷载特性条件下的强度、变形、破坏机理等特性，是近年来研究 节理裂隙岩体的一种行之有效的方法。 ( 1 ) 模型材料的选取 在模型材料上，通常采用类岩石材料( 石膏混合料、水泥砂浆混合料) 按一定的比例 配置来模拟岩石，这些材料除了与岩石满足一定的相似准则外，通常具有岩石材料的两个 重要特性( 脆性和剪胀特性) 。因此，被广泛应用于模型试验中 ( 2 ) 节理裂隙模拟现状 在模型试验中，用以模拟断续节理的方法已较为成熟。通常有掺入裂纹片( 云母片、 4 1 绪论 纸片、聚合物薄片、肥皂片) 【堋、预埋金属片或聚合物薄条( 初凝后抽出，通过抽条形成裂 隙来模拟节理) 小块体堆砌1 1 9 1 等方法张平通过在真实岩样中预制宏观切口来模拟张开的 断续节理j 。 近年来，为了准确模拟一定几何特征( 裂隙倾角、长度、间距、连通率、密度) 的节理 裂隙的起裂、搭接、贯通机制、力学特性，常采用预埋金属片或聚合物薄条的方法来模拟 岩体中一定几何特征的张开裂隙或闭合裂隙。 通常采用预埋金属片的方法模拟张开裂隙。其方法是将金属薄片预埋预模型材料中， 待模型材料养护完成后或初凝后拔出金属片形成预制裂隙。其中，r e y e s 和e i n s t e i n l 2 i 】采 用薄钢片的厚度为0 2 5 r a m , w o n g 和c h a a 2 2 1 采用的厚度为0 3 r a m ，r o b e t 和e i n s t e i n j ， 采用的厚度为0 1 m m ，s h e n 采用的厚度为0 0 4 m m ，刘东燕等人采用的厚度为0 0 7 - 0 2 r a m ， 黄凯珠和林鹏等人唧采用的薄钢片厚度为0 ；3 m m 采用预制拉紧的聚合物薄条模拟闭合裂隙。其方法是将拉紧的聚合物( 聚乙烯、聚四 氟乙烯、录像带等) 薄条置于模型材料中，在模型材料养护过程中抽出聚合物薄片，利用 模型材料凝固过程中的膨胀使裂隙面闭合。 另外，也有学者采用预埋薄钢片的方法在模型中预制闭合裂隙，为了改变闭合裂隙的 藏湎的摩擦系数，w o n g 和c h a i n 2 4 2 - q 还通过对薄钢片进行不同程度的凿孔来模拟 ( 4 ) 取得的成果 对于连续裂隙试样：静载下，连续裂隙试样的破坏方式基本服从m o h r - c o u l o m b 准则， 其破坏方式主要分为两种，一种是沿原有裂隙面破裂，一种是产生新的破裂面( 新破裂面 法向与最大主应力方向的夹角约为6 0 。) 。 对于断续裂隙试样：自从将g - r i i f i t h 提出的强度准则运用到裂隙岩体的破坏机制研究 以来，很长一段时间的研究都集中于对裂隙起裂、传播和相互作用方面，而对裂隙在岩桥 中的搭接方式研究的较少。后来，人们逐渐认识到节理裂隙材料的破坏通常由裂隙间相互 搭接所控制。因此，国内外许多学者开始采用不同的模型材料对断续裂隙试样中裂隙在岩 桥中的扩展、搭接过程进行了试验研究。 l 萄t a i ，s a v i l a h t i ，s t e p h a n s s o n 等人【4 矧，通过直剪试验对模型材料和岩石中两条平行狭 缝问的破坏模式进行了研究。朱维申等人进行了单排贯通节理岩体抗剪强度模型试验，并 描述了岩桥的破坏过程。然而，这些试验重点反映剪切荷载的作用效应，由于在剪切盒中 并不容易观察到整个搭接过程的发展，对于裂纹长度、方向、排列方式及裂纹状态( 张开 或闭合) 对压剪断裂及裂纹尖端应力场的影响没有深入揭示 范景伟、何江达【2 7 】通过单轴和低围压石膏模型试验，着重分析了含定向闭合断续节 理脆性岩体的强度特性和破坏机理，发现在所研究的断续节理岩体中破坏机理是由裂隙端 部的应力集中而引起的撕裂破坏，并提出了估算这种岩体强度的准则。但该准则只适用于 计算断续节理的起裂强度，而不是峰值强度。刘东燕、朱可善1 2 s 含中心斜裂纹砂浆试件 的单轴压缩模型试验，发现初裂强度受裂纹倾角影响明显，当裂纹面法向与加载方向成 西安理工大学硕士学位论文 4 5 0 夹角时，初裂强度最低，并借助断裂力学理论，建立了判断初裂的断裂准则。 徐靖南、朱维申在分析众多共线裂纹压剪模型试验成果的基础上，对压剪共线裂纹的 破坏机制进行了分析，并由此提出了相应的强度判定方法 朱维申等人采用石膏混合料配制成模型材料，用云母片模拟不同倾角的闭合裂隙，对 雁型裂纹的扩展模式进行了研究，发现当岩桥倾角在3 0 0 6 0 0 时常发生剪切破坏：当岩 桥倾角在6 0 。9 0 0 时，常发生拉剪复合破坏；当岩桥倾角大于9 0 0 时，常发生翼裂纹扩引 起的拉伸破坏【1 7 1 。 自世伟、任伟中等人【2 9 】利用激光散斑照相技术及应变片测试技术测量石膏模型试样 的位移场和应力场，对双轴加载条件下闭合非贯通节理的变形和破坏特征进行了分析，揭 示了裂纹扩展规律和破坏机理。 黄凯珠、林鹏 2 3 1 等人采用石膏混合料的模型材料，通过预埋薄钢片的方法模拟闭合 裂隙，双轴加载下断续预置裂纹贯通机制的研究 国外，r e y e s 和e i n s t e i n d l 2 i 】对内部含有两条倾斜裂隙的石膏试样进行单轴压缩试验发 现，单轴压缩条件下可能产生翼裂纹和次裂纹，并且田它们最终导致裂纹闻的搭接，但这 些裂隙没有考虑表面接触和摩擦。在考虑裂纹面间摩擦影响下，s h e n 等人【2 2 】采用石膏混 合料模型橱料赇舒管张开裂隙和闭台裂隙的试样进行了系列单轴压缩试验，所观察到的 裂隙搭接方式与r e y e s 和e i n s t e i n d 报道的相似。同时，还对不同岩桥倾角下裂隙搭接模 式进行了研究；：其结论与国内朱维申等人试验观察的结果基本一致。 ，w o n g 和c h 枷掣疑过选用与砂岩和页岩满足相似条件的模型材料j 对内部含有两条 倾斜裂隙的石膏试样进行单轴压缩试验。根据试验结果，将裂隙搭接类型归纳为主种模式 ( 剪切模式、拉伸剪切混合模式、拉伸模式) ，并进一步细分为九种方式。同时，w o n g 和 c h a u ( 2 0 0 1 ) 瞄l 还对包含三条预制倾斜裂隙的石膏混合料试样进行了单轴压缩试验，试验 观察到的裂隙搭接模式也能满足上述分类。另外，通过比较三条裂隙的破坏模式和两条裂 隙的破坏模式，提出裂隙发生搭接的两个准则：裂隙搭接总是发生在搭接应力较小的一 对裂隙之间；当某两对裂隙间的搭接应力非常接近时( 5 9 。0 以内) ，裂隙搭接常由混合模 式和拉伸模式所控制。 同期，l k y e s 和e i n s t e i n d 3 】对张开和闭合裂隙试样在单轴和双轴压缩条件下的裂隙搭 接方式进行了研究。发现裂隙搭接方式不仅依赖于裂隙的几何分布，而且依赖于应力条件 单轴或低侧限双轴压缩条件下，翼裂纹从裂纹端部起裂，随着侧限压力的增加，翼裂纹产 生的位置移向预制裂隙中部，最后，当侧限压力达到某一量值时，翼裂纹完全消失。同时， 当岩桥长度大于三倍裂隙半长度时，预制裂隙之间的相互作用很小 1 3 4 循环荷载下节理裂隙岩体疲劳研究的现状 李宁、陈文玲等人通过石膏模型试验，系统分析了循环动荷载作用下单组非贯通裂隙 岩体的变形和强度特，研究了荷载频率、裂隙倾角、裂隙密度对岩体变形和强度特性的影 6 1 绪论 响。发现倾角为4 5 。时裂隙岩体的强度最低，随加载频率逐渐增加，残余强度也呈逐渐增 加趋势。 李宁、张平等首次对裂隙试样的疲劳特性进行了探索性试验研究，并指出冻结后( 低 温状态) 裂隙砂岩样在动循环荷载下更易遭到破坏，在试验结果的基础上，提出了裂隙试 样动载下的疲劳损伤模型刚。 1 4 岩石类材料的损伤机理 1 4 1 损伤理论研究现状 损伤力学是固体力学的一个分支学科，产生于实际工程对基础学科的需求作为断裂 力学的必要发展和重要补充，损伤理论是最近三十年来发展起来具有潜力的新兴学科 1 9 5 8 年k a c h a n o v 3 1 最早提出用连续性变量描述材料受损的连续性能变化过程。其 后他的学生r a b o t n o v 啪1 为之推广，奠定了损伤力学的基础。k a c h a n o v 在研究金属蠕变的 过程中，第一个引入损伤的概念。尽管当时他并没有进一步深入下去，损伤力学这一提法 也是经过若干年后才正式引入，但是当时提出的概念形成了现在的基本概念，并在此基础 上雄成现在的损伤力学学科。k a c h a n o v 认为微缺陷的扩展是导致金属蠕变损伤的主要 原因皇他定义连续性变量9 = j ，其中j 是实际承载面积，即扣除了由于微缺陷而不能 承载的部分面积后得到的面积，4 为名义面积( 初始面积) 。由于微空洞、微裂纹等缺陷的 存在蠡，有效承载面积减小，单位面积上的净应力增大侧。 藩0 年代法国学者l e m a i t r e 1 将连续介质力学和热力学结合起来研究了损伤对金属的 弹性和塑性的影响。后来瑞典的h u l t 汹1 、英国的l e c k i e f = 3 研究了损伤和蠕变的耦合作用。 八十年代k r a j c i n o v i c 3 7 ，s i d o r o f 哺j 等学者的工作为损伤理论的形成和发展做了重要 的贡献。 1 9 8 1 年欧洲力学协会( 即r 删在法国的c a c h a n 召开了首次损伤力学国际讨论会 并且在这一年，我国学者开始对损伤进行研究。在此后的2 0 年间，损伤理论蓬勃发展。 到了9 0 年代，损伤力学的研究重点是损伤的宏、细、微观理论，其特征为：引入多 层次的缺陷几何结构，在材料的宏观体元中引入细观或微观的缺陷结构，试图在材料细观 结构的演化与宏观响应之间建立某种联系，对材料的本构行为进行宏、细、微观的描述 这种研究正在成为追踪材料从变形、损伤到失稳或破坏的全过程，以解决这一固体力学最 本质难题的主要途径 1 4 2 岩石损伤的分类 岩石的变形和损伤是不可以分割的，因此按岩石变形的性质和状况，可以将损伤分为 以下几类： ( 1 ) 弹性损伤。弹性损伤是由应力在弹性材料的作用中而产生的材料发生损伤后， 7 西安理工大学硕士学位论文 没有明显的不可逆变形，所以又是脆弹性损伤。如高强度混凝土产生的损伤 ( 2 ) 弹塑性损伤。弹塑性材料中由应力作用而引起的损伤。材料损伤时，同时产生 残余变形。如中强度混凝土出现的损伤。 c 3 ) 循环损伤。这类损伤由应力的重复作用而引起的，并为循环次数的函数。根据 应力水平的不同，又可以分低周疲劳损伤和高周疲劳损伤。 ( 4 ) 蠕变损伤。混凝土在蠕变的过程中产生的损伤，有时也称为粘塑性损伤。在给 定温度下，这类损伤是时间的函数。对于混凝土而言，即使在常温下，恒定的应力会引起 蠕变( 或称徐变) 而产生损伤。 ( 5 ) 动力损伤也称剥落损伤。在冲击荷载和高速荷载作用下混凝土产生的弹性损伤 和弹塑性损伤嗍 1 4 3 岩体损伤的研究方法 连续介质损伤理论研究的对象是含有连续分布缺陷的变形固体，研究的主要目的是确 定损伤连续场变量的演化规律。这就决定了损伤力学的研究方法是连续系统力学体系下的 手段和方法，如连续介质力学和研究耗散过程的不可逆热力学。但是由于损伤场的形成实 质上是材料细、微观的变异，因此要了解损伤的成因和其微结构形态和特征，又必须使用 细观理论和材料学的方法。岩石类材料损伤的研究方法大致可以分五种：宏观方法、细观 方法、微观方法、统计学方法，宏、细观相结合的方法【3 3 】。 ( 1 ) 宏观方法 宏观方法又称为唯象学方法，该方法是从宏观的现象出发并模拟宏观的力学行为，宏 观唯象学研究的目的是在材料的本构关系中掺入损伤变量，使得含损伤变量的本构关系能 真实描述受损材料的宏观力学行为。 宏观方法是连续介质力学和不可逆热力学由于损伤的机制不同和用于描述各个损伤 场的损伤变量不同，从而有可能得出许多不同的形式的描述损伤演变的方程 2 8 1 。宏观方 法由于是从宏观现象出发并模拟宏观力学行为，所以方程及其参数的确定往往是半经验半 理论的，其研究的结果也可直接的用来分析实际情况，有明确的物理意义。缺陷是不能从 细、微观结构层次上弄清楚损伤的形态和变化其研究难以深入本质而且切合损伤在微， 细观层次上的实际。从损伤力学发展的初期到今天较为成熟的一些损伤模型，主要是运用 宏观唯象方法研究的结果。但是这种方法考虑的因素相对简单，便于建立方程，可以满足 工程需要。 ( 2 ) 微观方法 微观方法主要从微观的角度来研究材料微结构( 微裂纹和微孔洞) 的形态和变化及其 对材料宏观力学性能的影响。研究损伤演变的物理机制，对建立宏观唯象学的力学模型是 十分必要的。透镜、扫描电镜的发明和近代实验力学方法、手段的发展使得人们可以从分 子或原子的微观尺度去观察损伤的物理现象。但现在微观结构的变异和宏观的力学响应之 8 1 绪论 间的相互关系和解释仍然是个难题，因此仅仅使用微观方法很难解释宏观的现象并用于宏 观现象的计算和分析。尽管如此，我们仍然可以使用微观观察的现象来帮助解释损伤演变 过程对宏观力学行为的影响印】。 ( 3 ) 细观方法 细观力学是研究材料细观结构对载荷、环境等因素的响应、演化和失效机理，以及材 料细观结构与宏观力学性能的定量关系的- - f j 新兴学科。它将连续介质力学的概念与方法 直接应用到细观的材料构元上，引入新的内变量，通过多尺度连续介质力学的方法，来表 征经过某种统计平均处理后的细观特征、微观量的概率分布及其演化。和损伤力学、断裂 力学等其它固体力学相比，细观力学的研究实际上是个尺度问题。细观尺度只是一个相对 尺度，并没有严格定义细观尺度范围的大小，对于不同的材料和研究对象，该尺度所包括 的范围从1 0 - s m 到几个厘米甚至更大1 4 0 1 材料的细观尺度只不过是人们针对该种材料的 结构而提出的。在相对于结构的细观层次上，材料构元是均匀的，而所有的构元在结构上 又表现出极大的非均匀性。而构元的损伤可以按连续介质损伤力学来考虑，这样在细观层 次上，岩石类材料的脆性断裂过程，完全可以借助于细观力学的思路来研究 ( 4 ) 统计学方法 这种方法是用统计方法研究材料结构中的损伤。在损伤的初期，微裂纹、微空洞等缺 陷是随机性的。在这一阶段，损伤变量场可以抽象为一个具有随机性特征的场变量p 引 用习惯方法研究个体微缺陷，再用统计学方法归纳出损伤场变量是一种研究岩体损伤的方 法 ( 5 ) 宏、细观相结合方法 损伤的形态及其演化过程，是发生于细观层次上的物理现象，必须用细观观测手段和 细观力学方法加以研究：而损伤对材料力学性能的影响则是细观的成因在宏观上的结果或 表现。既然问题的因与果分属于细观与宏观两端。要想从根本上解决问题，就必须运用宏、 细观相结合的方法研究损伤力学问题。为了建立损伤材料的宏、细观观测结合的本构理论、 首先应开展宏、细、微观并重的实验研究，并在实验研究中实现宏、细观观测相互同步 在细观和宏观的同步实验基础上进一步探讨细观损伤状态与宏观力学响应之间的关联，才 能建立宏、细观的损伤本构理论【弱j 1 5 本文研究思路、方法及内容 1 5 1 本文研究思路、方法 本文采用室内试验和理论分析相结合的研究方法，利用西安理工大学岩土所与长春朝 阳试验仪器有限公司联合研制开发的w d t - 1 5 0 0 多功能材料试验机，对岩石、裂隙试样 在循环荷载与静载组合加载条件下的力学特性进行研究。利用砂岩进行组合加载试验，研 究在组合加载条件下岩石的变形强度特性和破坏特征随静载加载速率、循环荷载加载频 9 西安理工大学硕士学位论文 率、循环荷载振幅的变化规律；通过预制裂隙水泥砂浆试样，研究在组合加载条件下裂隙 试样的变形强度特性和破坏特征随静载加载速率、循环荷载振幅及裂隙倾角的变化规律； 对试样在循环荷载与静载组合加载下的损伤机理进行分析，提出组合加载下的损伤模型。 1 5 2 本文的研究内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 通过砂岩的室内试验，研究静载加载速率、循环荷载加载频率、循环荷载振幅 在组合加载下对岩石的变形特性及强度特性的影响，分析不同加载条件下的破坏形态。 ( 2 ) 通过预制裂隙水泥砂浆试样的室内试验，研究组合加载下静载加载速率、循环 荷载振幅、裂隙倾角对裂隙试样的变形特性及强度特性的影响，并对其破坏形态进行分析。 ( 3 ) 根据裂隙试样在组合加载下能量损耗进行分析的基础上，研究试样的损伤演化 过程，提出相应的损伤模型 1 0 2 试验系统和试验方案设计 2 试验系统和试验方案设计 2 1 试验系统 2 1 1 概述 近年来，由于岩石力学基本理论的发展和工程应用的需要，对岩石力学室内试验方法、 试验内容，特别是室内试验装置提出了很多新的要求。 岩石和节理裂隙岩体在周期荷载作用下的力学特性、不可逆变形的积累和发展以及岩 石疲劳破坏的机理和疲劳强度研究等都是当今岩石力学界十分关注的研究课题。为了能反 应周期荷载疲劳损伤对循环荷载与静载同时加载下的力学特性的影响，需要一台高性能的 动态岩石试验机。 为了能实现本文的加载方式，试验机需具备以下功能：( 1 ) 能进行单、三轴压缩试验； ( 2 ) 它要有良好的动态特性，以适应对脆性岩类在纵向应变率受控条件下获得峰值后区 特性曲线的功能；( 3 ) 试验机能实现静载与循环荷载的同步加载 2 1 2 釉卜1 5 0 0 多功能材料试验机简介 砌卜一1 5 0 0 多功能材料试验机是由西安理工岩土所与长春朝阳试验仪器有限公司联 合研制开发的一套大型、多功能的刚性伺服材料试验系统。 a 、试验机的结构形式 试验机的外型如图2 1 、图2 2 所示。为了实现试验机的多功能，试验机在总体设计 上采用了与传统方式不同的结构形式。 主机采用油缸下置、四柱式加载框架，外型美观、刚度高；控制系统采用进口原装德 国d o l i 全数字伺服控制器，具有控制精度高、保护功能全、可靠性及扩展性强等特点； 计算机系统采用在w i n d o w s 环境下运行的试验软件，具有良好的人机界面。可以实时显示 多项测量参数及试验曲线，同时可储存、再现测量参数或试验曲线并进行分析及打印试验 报告 ( 1 ) 轴向加载系