循环荷载作用下岩石疲劳特性的理论与实验研究

摘要

工程中的岩体不仅仅承受着静态荷载的作用，还经受着爆炸、冲击、地震等动态荷载的影响。因此，研究循环荷载作用下岩石的疲劳特性，提出稳定性分析方法和控制手段是工程中迫切需要解决的问题。特别是近年来，由于大规模水利工程的建设，城市地下交通的普及，大跨度超长隧道的开挖，以及深部矿藏的开采，许多前所未有的动力学难题摆在了我们的面前。如何优化隧道、巷道、边坡、水坝、基岩等结构的抗震性能，保障工程安全以及人类的生命安全，这些都是科研工作者的历史使命，也是我们抓住机遇，施展才能的大好平台。 本文围绕着结构疲劳分析的基本框架，着重从理论研究和实验分析两大方面进行了一系列开创性的研究，同时给出了工程应用的框架雏形，具体包括以下几个方面的内容： (1)针对于三峰谷雨流计数模型的不足之处，提出了改进方案。改进后的三峰谷计数模型融等值点压缩、峰谷检测以及循环计数为一体，极大地简化了计数过程。运用改进三峰谷计数模型，对现场采集的爆破振动应力谱进行了循环计数，统计结果表明，单次爆破中小幅疲劳循环占绝大部分，而且拉压循环所占的比例比较大。 (2)根据岩石损伤演化具有三阶段发展规律的这一特点，提出了倒S非线性疲劳累积损伤模型。探讨了倒S模型中参数的物理含义以及对倒S曲线的影响，给出了参数的建议取值范围。运用倒S模型，演示了岩石三级加载时累积损伤的计算，首次提出了疲劳路径的概念，从理论上解释了“锻炼”效应产生的根本原因。由于倒S模型考虑了疲劳初始损伤，考虑了加载次序对累积损伤的影响以及荷载间的相互作用，因此具有较高的精度。而且，利用疲劳路径的概念，倒S模型可以直接用于随机疲劳加载时的损伤计算和寿命估算。 (3)针对倒S模型参数估计问题，提出了以有限组合法计算初始值，再应用Levenberg-Marquardt法进行倒S曲线拟合的解决方案。计算结果表明，此方案拟合得到的倒S曲线与实验数据均为高度相关，既说明了拟合算法的高效性，也说明了倒S模型的正确性。 (4)分析了加载条件对岩石全应力应变曲线的影响，给出了静载强度确定的原则。从试验的角度，讨论了应力上限、应力幅值、加载波形以及加载频率对岩石疲劳强度的影响。试验结果表明，上限应力越高，应力幅值越大，加载频率越高，岩石的疲劳寿命就越短。对于加载波形的影响，试验结果表明，正弦波加载的疲劳寿命大于三角波加载的而小于矩形波加载的。 (5)研究了岩石疲劳变形的特性，验证了疲劳破坏的极限变形规律。分析了轴向变形、横向变形和体积变形在疲劳加载过程中的演化规律。首次得出了以下结论：三种变形都具有三阶段演化规律，三阶段的划分基本一致，横向变形和体积变形的增量比轴向变形的大得多。 (6)依据试验结果，对比了各种损伤变量定义法的合理性，指出残余应变法由于物理意义明确，考虑了初始损伤，是一种相对比较理想的定义方法。岩石的损伤演化具有三阶段规律，而影响损伤发展的主要因素有应力水平以及初始损伤等。分析结果表明，上限应力、幅值及初始损伤越高，损伤演化曲线的第三阶段占疲劳寿命的比例越大，第二阶段所占比例相应减小，岩石的疲劳寿命也就越短。 (7)将名义应力法中材料疲劳性能描述的S-N曲线以及作者提出的倒S模型，融入到局部应力应变法中，形成了一种适用于岩石材料的修正局部应力应变法。以倒S模型为基础，演示了变幅加载条件下残余寿命及总寿命的估算步骤。根据修正局部应力应变法的原理，简要介绍了随机疲劳加载条件下疲劳寿命估算的一般步骤。 (8)根据疲劳分析的特点以及疲劳软件开发的需求，提出以插件式软件体系结构构建开放式疲劳分析环境的新思路。针对于插件系统运行效率的问题，提出了建立插件映射表，利用动态加载技术节省系统运行开销的解决方案。同时，为了解决插件标识中的重名现象，提出了由宿主程序动态分配ID的方案，杜绝了重名的风险，降低了系统与插件间的耦合度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究的内容、目的和意义

1.3.1载荷谱的编制

1.3.2非线性疲劳累积损伤模型

1.3.3岩石材料的疲劳力学性能

1.3.4岩石结构的疲劳寿命估算

1.3.5疲劳分析的软件系统

第二章疲劳载荷谱及雨流计数法

2.1工作谱的测量

2.2雨流计数法

2.3四峰谷雨流计数模型

2.4三峰谷雨流计数模型

2.5实时雨流计数模型

2.6改进三峰谷计数模型

2.7爆破振动应力谱的计数结果

2.8本章小结

第三章疲劳累积损伤理论

3.1疲劳累积损伤理论概述

3.2疲劳损伤变量的定义

3.3线性疲劳累积损伤理论

3.4非线性疲劳累积损伤理论

3.5倒S非线性疲劳累积损伤模型

3.5.1岩石疲劳损伤演化规律

3.5.2倒S疲劳累积损伤模型

3.5.3各参数的物理含义及取值范围

3.5.4多级加载疲劳累积损伤计算及寿命估算

3.5.5倒S非线性疲劳累积损伤模型的特点

3.6本章小结

第四章倒S模型的相关及回归分析

4.1倒S模型曲线拟合问题的数学建模

4.2 Guss-Newton法

4.3 Levenberg-Marquardt法

4.4 LM算法的实现

4.5倒S曲线拟合可行域优化策略

4.6拟合效果评价及相关性分析

4.7本章小结

第五章岩石疲劳力学性能的实验研究

5.1试验概况

5.1.1试样制备

5.1.2试验装置

5.1.3试验方案

5.2静态单轴压缩试验

5.2.1全应力-应变曲线

5.2.2全应力-应变曲线分类

5.2.3单轴压缩试验结果

5.2.4静载强度的确定

5.3岩石疲劳强度的影响因素

5.3.1应力上限的影响

5.3.2应力幅值的影响

5.3.3加载波形的影响

5.3.4加载频率的影响

5.4岩石疲劳变形特性

5.4.1疲劳破坏的极限变形规律

5.4.2轴向变形的演化规律

5.4.3横向变形的演化规律

5.4.4体积变形的演化规律

5.5本章小结

第六章岩石的疲劳损伤演化及疲劳寿命估算

6.1损伤变量的合理化定义

6.2岩石的损伤演化规律

6.2.1上限应力对损伤演化的影响

6.2.2 幅值应力对损伤演化的影响

6.2.3初始损伤对损伤演化的影响

6.3疲劳寿命估算的方法

6.3.1疲劳寿命估算常用方法

6.3.2改进的局部应力应变法

6.4逐级加载确定累积损伤曲线族的方法

6.5疲劳寿命的估算

6.5.1变幅加载疲劳寿命的估算

6.5.2随机加载疲劳寿命估算的一般步骤

6.6本章小结

第七章插件式疲劳分析系统

7.1疲劳分析软件开发现状

7.2插件式软件体系结构

7.2.1插件系统的基本结构

7.2.2插件的分类

7.2.3插件的实现方法

7.2.4插件技术的特点

7.2.5插件系统开发的基本步骤及亟待解决的问题

7.3插件式疲劳分析软件

7.3.1疲劳分析系统宿主程序

7.3.2疲劳插件的结构与生成

7.3.3疲劳插件的识别

7.3.4疲劳插件信息的获取

7.3.5疲劳插件的调用

7.4疲劳插件库

7.4.1倒S累积损伤插件

7.4.2雨流计数插件

7.4.3 RMT试验分析插件

7.4.4便携式神经网络插件

7.4.5疲劳寿命估算插件

7.4.6雨流计数结果统计插件

7.5本章小结

第八章结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士期间的主要研究成果