循环荷载作用下灰岩的力学特性及本构模型研究

摘要

随着各类岩土工程越来越多，在工程施工和使用期间，岩土工程的基础和主体结构常常会遭遇循环荷载作用，所以研究岩石在循环荷载作用下的破坏特性，即是完善岩石在复杂应力作用下的力学特性理论研究，又是目前岩土工程领域的前沿问题，保证现实工程的安全、稳定性具有重要意义。
　　本文以某水利水电工程地区的灰岩为研究对象，采用声波测试仪和MTS-815岩石刚性试验系统，对灰岩进行了五种室内试验（声波试验、静态单轴、三轴压缩试验以及动态单轴、三轴循环荷载试验）。着重分析了循环荷载作用下，灰岩处于不同变形区时的力学特性，并对比分析了灰岩在不同加载条件下的力学特性以及宏观破坏机理，然后通过灰岩在循环荷载作用下的动应力—应变曲线，分析了灰岩在不同变形区时的能量演化规律，最终利用循环荷载试验结果，建立了灰岩基于内变量理论的疲劳本构模型以及基于现有资料和前人资料提出了该模型针对不同岩石在一定条件下的简化本构模型。本文的主要结论有:
　　(1)通过灰岩静态单轴压缩条件下所得试件应力—应变关系曲线，可将峰值强度前曲线形态分为两种形式（即:可明显显示塑性变形型和不明显显示塑性变形型），峰值强度后变形曲线可分为三种形式（即:应力快速跌落型、应力跌落回升型、应力多级跌落型）;静态三轴压缩条件时，应力—应变曲线跟单轴时相似，在2～6MPa围压时，峰值前曲线多显示出塑性变形阶段，峰值后曲线多表现出应力跌落回升型，在8～12MPa围压时，峰值前曲线多不显示塑性变形阶段，峰值后曲线多表现出应力快速跌落型和多级跌落型;动态单轴、三轴循环试验条件下，破坏试件应力—应变曲线有高度的相似性，在剪缩区时应力—应变曲线都由稀疏到密集，在剪胀区时应力—应变曲线再由密集到稀疏变化。并通过非代表值测值舍弃标准，得到静态单轴压缩条件下灰岩的抗压强度为175MPa，弹性模量为23.6GPa，泊松比为0.1。
　　(2)灰岩在动态单轴、三轴循环荷载试验条件下，当处于不同变形区时各变形参数随着循环周次的演化规律相似。在剪缩区时，动弹性模量随着循环周次的增加逐渐增加，动泊松比、残余轴向应变、残余体积应变逐渐减小。在临近临界荷载值时，动弹性模量和动泊松比相对变化不大，而残余轴向应变、残余体积应变逐渐变大。在剪胀区时，动弹性模量逐渐减小，动泊松比、残余轴向应变、残余体积应变逐渐增大。
　　(3)灰岩在动态单轴、三轴循环荷载试验条件下，各变形参数随着轴向振动荷载的演化规律相似。动弹性模量、动泊松比随着轴向振动荷载的增加逐渐增加，但残余轴向应变和残余体积应变逐渐变小。
　　(4)灰岩在0～4MPa围压时，动弹性模量随着围压的增大先逐渐增加再降低，而动泊松比先减小再逐渐增大;当围压在4～8MPa时，动弹性模量随着围压的增加逐渐变大，动泊松比逐渐减小。在0～8MPa围压下，残余轴向应变与残余体积应变随着围压的逐渐增加均呈现逐渐减小的趋势。
　　(5)通过不同试验条件下灰岩的宏观破坏情况可以得出:在静态单轴试验条件下，灰岩的破坏形式主要是以张拉破坏为主;静态三轴压缩条件下，当围压在0～4MPa时，主要是以张拉和剪切破坏为主，当围压大于4～12MPa时，主要以压碎破坏和单一剪切面破坏形式为主;单轴循环荷载作用下岩石的破坏形式主要为张拉破坏;三轴循环荷载条件下，灰岩的破坏形态主要以剪切破坏为主。灰岩各试验条件下抗压强度关系有:R静三＞R动三，R静单＞R动单，R静三＞R静单，R动三＞R动单，这说明动荷载对实际工程中岩体的稳定性影响较大，通过试验数据得出了灰岩静态试验条件下的抗剪强度参数粘聚力为46.39MPa，内摩擦角为50.39°，动态试验条件下的粘聚力为15.95MPa，内摩擦角为63.41°。
　　(6)灰岩在动态单轴、三轴循环荷载试验条件下，当处于不同变形区时各能量参数随着循环周次的演化规律相似。当试件处于剪缩区轴向振动荷载或者临近临界荷载作用时，单位体积能和单位体积弹性变形能随着循环周次的增加变化不大，而单位体积耗散能却逐渐减小，弹性能量指数逐渐增加;当试件处于剪胀区轴向振动荷载作用时，单位体积能随着循环周次的增加逐渐减小，单位体积弹性变形能逐渐增加;单位体积耗散能仍呈现逐渐减小的趋势;弹性能量指数仍呈现逐渐增加的趋势。
　　(7)灰岩在动态单轴、三轴循环荷载试验条件下，各能量参数随着轴向振动荷载的增加都呈现出逐渐增加的趋势;通过对灰岩在不同变形区时各能量参数随着围压的演化规律分析可知:当处于剪缩区轴向振动荷载作用时，单位体积能随着围压的逐渐增加变化不大，单位体积弹性变形能呈现逐渐减小，从而可知单位体积耗散能逐渐增加，弹性能量指数逐渐减小;当处于剪胀区轴向振动荷载作用时，单位体积能随着围压的逐渐增加逐渐减小，单位体积弹性变形能仍逐渐减小，单位体积耗散能逐渐增加，弹性能量指数逐渐减小。
　　(8)当灰岩变形进入剪胀区后，即使卸载到剪缩区进行试验，此时试件力学性质仍表现出剪胀区时的力学特性。
　　(9)根据循环荷载作用下灰岩的应力—应变曲线，选用残余轴向应变为内变量，建立了适合灰岩的内变量疲劳本构模型，并利用现有资料和前人研究资料提出了适合不同岩性和一定条件下的内变量简化本构模型，并对模型参数取值进行了详细分析，最终利用origin软件对循环荷载作用下灰岩的内变量疲劳本构模型和简化模型进行了验证。根据拟合结果与试验数据的对比分析，证明了各模型的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石在循环荷载作用下的力学特性研究

1．2．2 岩石宏观破坏机理研究

1．2．3 岩石的能量演化机理研究

1．2．4 岩石的本构模型研究

1．3 本文研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 岩石力学性质试验

2．1 试验原理

2．1．1 岩石声波试验

2．1．2 岩石静态加载试验

2．1．3 岩石动态加载试验

2．2 试验设备系统

2．2．1 试验加载设备

2．2．2 试验数据记录与采集

2．3 试件制备

2．4 试验方法

2．4．1 岩石声波试验

2．4．2 岩石静态加载试验

2．4．3 岩石动态加载试验

2．5 试验数据整理

2．5．1 声波试验

2．5．2 静态加载试验

2．5．3 动态加载试验

第3章 灰岩力学特性研究

3．1 灰岩变形特征及参数分析

3．1．1 静态试验条件下的变形特性及参数分析

3．1．2 动态试验条件下的变形特征及参数分析

3．2 灰岩宏观破坏特征、破坏机制分析

3．2．1 概述

3．2．2 静态试验条件下宏观破坏特征分析

3．2．3 动态试验条件下宏观破坏特征分析

3．3 灰岩强度特征及参数分析

3．3．1 静态试验条件下强度特征及参数分析

3．3．2 动态试验条件下强度特征及参数分析

3．4 本章小结

第4章 循环荷载作用下灰岩的能量演化规律

4．1 单轴循环荷载

4．1．1 岩石试件受力特征

4．1．2 不同轴向应力水平下能量演化规律

4．2 三轴循环荷载

4．2．1 岩石试件受力特征

4．2．2 不同轴向应力水平下能量演化规律

4．2．3 不同围压下能量演化规律

4．3 本章小节

第5章 循环荷载作用下灰岩的本构模型研究

5．1 基于内变量理论的灰岩疲劳本构模型

5．2 岩石内变量本构模型简化研究

5．2．1 简化指导思想及模型参数分析

5．2．2 内变量本构模型公式近似简化结论

5．2．3 简化模型公式验证分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文