随机载荷下岩石疲劳损伤特性实验与理论研究

摘要

岩石是由多种矿物晶粒、充填物及孔隙缺陷等组成的复杂的非线性材料，其内部含有大量随机分布的裂纹、节理、断层、孔洞、充填物等地质缺陷。裂隙岩石中充填物或是夹杂物的存在，对岩石疲劳损伤和工程稳定性产生巨大影响。因此，在岩石力学的理论与实验研究中，充分考虑裂隙岩石中充填物的影响，能够更合理地解释工程实践中岩石的损伤与破坏现象。 另一方面，岩石在随机(循环)载荷作用下的力学性能是爆破岩石、维护岩体工程稳定性的需要考虑的重要因素之一。例如矿山凿岩爆破中，爆破冲击载荷实际上是一种随时间变化的随机载荷；桥梁基岩，受过往车辆载荷的循环动载荷；大坝基岩，受水库水位周期性涨落引起的循环动载荷。研究随机(循环)载荷作用下的裂隙岩石的强度和变形特性，将有助于正确认识岩石的破坏机理和工程的失稳规律，进而科学地进行矿山凿岩爆破设计，科学地评价岩体的长期稳定性。由于工程实践的需要，以及理论研究的不断深入，随机载荷下岩石疲劳损伤特性的实验与理论研究，成为目前国内外岩石力学工作者和岩土工程界关注的前沿课题之一。 本论文在国家自然科学基金的资助下，针对岩石内部存在的缺陷特点，在试验基础上探讨了随机载荷作用下含缺陷岩石疲劳损伤特性和破坏机理。本文的主要工作有以下几个方面： 1、从岩石随机加载与循环加载的累积损伤等效性角度出发，推导了随机加载与正弦加载对带裂纹结构的累积损伤的等效性方程，给出了疲劳损伤等效性的数值算法，从理论上解决了用循环(正弦)加载的方法来研究随机加载的合理性问题，从而实现了用INSTRON疲劳试验机就可以进行随机加载的岩石特性试验研究； 2、采用水泥砂浆和充填材料模拟含缺陷岩石，分别对含孔洞、充填物缺陷试样进行了循环加载下的疲劳试验，分析了含不同缺陷试样所对应的破坏特征，并从循环次数比较了含不同缺陷试样的疲劳寿命。从应力一应变曲线和轴向不可逆变形曲线分析了与疲劳损伤相对应的阶段性规律； 3、采用声发射技术，实时监测了含缺陷岩石疲劳损伤实验的全过程，并对声发射信号进行了时域和频域特征分析，从而得到含缺陷岩石在疲劳损伤实验中的声发射特征； 4、根据实验所观察到的破坏特征和实验数据分析结果，合理地解释了含缺陷岩石疲劳损伤破坏机理，分析了影响含缺陷岩石疲劳损伤的主要因素； 5、考虑充填物与岩石基体在弹塑性、热性上的差异，运用弹性力学方法分别计算了岩石中孔洞、充填物缺陷及岩石基体附近的应力分布和应力集中程度，分析了疲劳裂纹萌生的区域和扩展方位，并结合ANSYS有限元分析软件进行数值模拟，进一步验证弹性力学方法的正确性，并与实验结果进行了对比分析。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

第二章岩石随机载荷与循环载荷的等效性研究

第三章含缺陷岩石疲劳损伤特性的实验研究

第四章随机载荷下含缺陷岩石的声发射特征研究

第五章充填物对疲劳裂纹萌生及扩展的影响

第六章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果