《单轴循环加卸载作用下红砂岩变形损伤与能量演化》
本文是关于作用方面自考毕业论文范文与循环和作用和变形和损伤和演化方面毕业论文提纲范文.
摘 要：利用RYL-600型微機控制剪切流变仪对红砂岩试件开展低频率单轴循环加卸载试验,研究该条件下红砂岩的疲劳变形、损伤特性及能量演化规律.研究结果表1明：1）该红砂岩应力上限疲劳破坏门槛值在75%～85%之间,且疲劳寿命随应力上限增加而急剧减少.2）低频单轴循环加卸载条件下红砂岩轴向变形呈现3个阶段,开始阶段应变量较小但增速很大,稳定阶段应变逐步缓慢增长,破坏阶段应变量和应变增速都快速增大;3个阶段中滞回环密集度呈现出典型的疏—密—疏特征,单个滞回环形状表1现出“胖—瘦—胖”的发展规律,且其面积随应力上限增加而增大.3）损伤发展过程呈现起始阶段、稳定扩展阶段和加速破坏阶段的3阶段特征;应力上限越高,损伤发展越快;3个阶段中,循环次数占据疲劳寿命最小部分的加速破坏阶段产生绝大部分的损伤增量.4）弹性能随循环次数增加先增大后保持稳定,但临近破坏时因材料弹性减弱而减小;耗散能在循环开始时较大,然后随循环次数增加先减小而后趋于稳定,临近破坏时又急剧增大至近4倍,岩石破坏伴随耗散能的急剧增大.5）岩石内部应力调整反映在滞回环演化中,滞回环面积越大,单次塑性变形越大,损伤程度越高,能量耗散越严重.
关键词：红砂岩;循环加卸载;变形;损伤;能量演化
中图分类号：TU45文献标志码：A
DeformationDamageandEnergyEvolutionofRedSandstone
underUniaxialCyclicLoadingandUnloading
LIJiangteng?,XIAOFeng,MAYupei
（SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China）
Abstract：Lowfrequencyuniaxialcyclicloadingandunloadingexperimentsonredsandstonewerecarriedouttostudythefatiguedeformation,damagecharacteristicsandenergyevolutionofredsandstonebyusingRYL-600microcomputercontrolledshearrheometer.Theexperimentresultsareaollows.Thethresholdvalueoffatiguefailurestressoftheredsandstoneisbetween75%and85%andthefatiguelifedecreasessharplywiththeincreaseofupperstress.Undertheconditionoflow-frequencyuniaxialcyclicloadingandunloading,theaxialdeformationofredsandstoneisdividedintothreestages.Intheinitialstage,strainisallbutgrowsrapidly;inthestablestage,straingraduallyincreasesslowly;inthenearfailurestage,strainandstrainincrementincreasesrapidly.Inthethreestages,thedensityofhysteresislooppresentsthecharacteristicsofsparsity-density-sparsity.Theshapeofasinglehystereticloopshowsthedevelopmentruleof"fat-thin-fat".Theareaofasinglehystereticloopincreaseswiththeincreaseofupperlimitstress.Thedamagedevelopmentprocessisdividedintoinitialstage,steadyexpansionstageandaccelerateddamagestage.Thehighertheupperlimitofstressis,thefasterthedamagedevelops.Inthethreestages,theacceleratedfailurestage,whichoccupiestheallestpartoffatiguelife,producesthemajorityofdamageincrement.Thenumberofelasticenergycycleirstincreasesandthenremainsstable.However,itdecreaseswiththedecreaseofmaterialelasticityinaccelerateddamagestage.Theinitialvalueofdissipatedenergyislarge,andthenitdecreaseswiththeincreaseofcyclenumberandthentendstobestable.Whenitisclosetofailure,itincreasessharplybynearly4times,indicatingthattherockfailuremustbeaccompaniedbythesharplyincreaseofdissipatedenergy.Theinternalstressadjustmentofrockisreflectedintheevolutionofhystereticloop.Thelargerthehystereticloopareais,thelargerthesingleplasticdeformationis,thehigherthedamagedegreeis,andthemoreserioustheenergydissipationis.
Keywords：redsandstone;loadingandunloading;deformation;damage;energyevolution
岩石是工程建设中的基本介质材料.天然岩石本身构造各不相同,在不同的外部环境作用下必然表1现出不同的力学特性[1].红砂岩广泛分布于湖南、四川、云南等我国南方地区,这里是未来我国土木工程建设的重点区域,因此研究红砂岩相关性质尤为重要.近年来,有关学者对于红砂岩静力学特性[2-5]、蠕变特性[6-8]、声发射特性[9-11]、渗透特性[12]以及软质红砂岩崩解性[13]及其填料缩尺料制作[14]等方面做了很多研究.在岩土工程施工及运营阶段岩石经常会受到循环荷载作用,如：隧道及边坡的反复开挖,桥梁岩基及隧道围岩受到过往车辆的影响等.因此研究在循环扰动环境下岩石的性质非常重要.周子龙
等[15-16]发现在点载荷循环加载下红砂岩的疲劳寿命与加载频率和应力幅值紧密相关;李志成等[17]进行了盐岩三轴循环加卸载试验,发现声发射信号随围压增大而减弱;王友新等[18]、付斌等[19]、王大明等[20]研究了大理岩单轴循环加卸载条件下的弹性模量、碎屑分形及声发射特征的演化规律;谷中元等[21]发现单向循环加卸载对花岗岩的强度起先加强后削弱的作用;陈璐等[22]研究了深部花岗岩循环加卸载条件下的强度包络线并分析了其破坏机理.
上述研究主要涉及常规状态下的红砂岩性质或循环加卸载条件下岩石的疲劳力学特性、声发射特征规律等,对于循环扰动条件下岩石的疲劳变形损伤及能量演化规律的研究还很少见.因此,本文基于长沙地区红砂岩室内试验,研究红砂岩在低频单轴循环加卸载条件下的变形损伤及能量演化特性,为相关工程建设提供参考.
1试验条件及方案
1.1试验方案
本次试验红砂岩试样均取自长沙某地同一岩层的相邻部位,试件严格按照国际岩石力学学会建议标准加工.试样为标准的圆柱体试件,尺寸为：50mm×100mm;端面平整度误差小于0.02mm.试验在中南大学岩石力学试验室RYL-600型微机控制剪切流变仪上进行.
1.2试验参数
试验采用正弦波加载,频率为0.1Hz,应力上、下限皆以单轴试验得到的红砂岩抗压强度σc等于41.08MPa为基准,按表11所列参数确定.试件加载过程为：首先以100N/s线性荷载加载到应力下限,然后以正弦波荷载循环加卸载,直至试件破坏或轴向应变增量为0.
2结果分析
2.1红砂岩疲劳变形特性
2.1.1轴向变形演化规律
根据试验结果,选取有效数据取其平均疲劳寿命.当循环应力水平为25%～95%时,试件3次循环后即破坏;当循环应力水平为15%～85%时,试件15次循环后破坏;循环应力水平为5%～75%时,试件循环5400次未破坏,且后期循环的应力-应变曲线与前期曲线高度重合,表1明试件在该应力水平下不会破坏,其应力上限疲劳破坏门槛值在75%～85%应力比之间.可见一定应力幅值下,循环应力上限水平越高,岩石越容易发生疲劳破坏,疲劳寿命越低;并且当循环应力上限超过疲劳门槛值后,红砂岩疲劳寿命随应力上限增加而急剧降低.图1所示为不同应力水平循环加卸载应力-应变曲线,图2所示为循环加卸载条件下红砂岩试件破坏模式图.
由图1可知,应力上限越高,滞回环之间距离越大,非线性特征越强;试件单个循环产生的塑性变形越大,疲劳寿命越短.在循环加卸载过程中,曲线接近应力上限时呈上凸状,塑性变形量较大,其原因是应力上限附近应力变化速率最小,试件内部裂纹得以充分发育,产生较多塑性变形.
应力水平为15%～85%时试件疲劳破坏过程比较完整,滞回环发展具有典型的疏—密—疏特征.循环开始阶段,轴向应变发展较快,滞回环面积较大,塑性变形也较大;循环稳定阶段,轴向应变稳定发展,滞回环面积减小但逐渐稳定（应力水平为5%～75%试件循环过程绝大部分处于该阶段）;循环破坏阶段,轴向应变迅速发展,滞回环总面积最大,同时试件内部微裂纹扩展、贯通形成宏观破裂面,最终导致试件破坏.循环加卸载过程中,其内部产生的不可逆塑性变形在应力-应变图中以滞回环的变化体现,破坏阶段滞回环最为稀疏,表1明红砂岩在短时间内塑性变形快速发展直至破坏,符合红砂岩脆性岩石特征.图3、图4分别为不同应力水平条件下的上限轴向应变、上限轴向应变增量与循环次数关系图.
结合图3、图4可知,循环次数相同时试件上限轴向应变随应力上限的增大而增大.当应力水平为25%～95%时,试件迅速破坏;当应力水平为5%～75%時,试件在整个循环过程中上限轴向应变都很小,其增量近于0,试件未破坏;当应力水平在15%～85%时,试件上限轴向应变演化规律如下：开始阶段试件上限轴向应变相对较小,增量较大但其值逐步减小;稳定阶段循环次数占据疲劳寿命绝大部分,上限轴向应变量继续增大,但增量很小并趋于恒定;破坏阶段,上限轴向应变和其增量都快速增长,变形迅速发展,在极少次数循环后试件破坏.其原因是岩石内部存在原生微裂隙,循环开始时这些微裂隙受循环荷载作用产生大量变形;循环稳定之后,脆弱部分被压密,变形稳定发展;临近破坏时内部裂纹贯通,随后试件破坏,应变量陡增.当应力上限小于门槛值时,试件压密后塑性变形停止增长,试件不会破坏.
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