循环荷载作用下岩石疲劳破坏和不可逆变形问题的探讨

<正>一、前言 在周期性载荷作用下的岩石的力学性能与岩体工程的长期稳定性密切相关。Muller和葛修润曾指出在循环载荷作用下,岩石不可逆变形的发展存在三个阶段,并提出以变形来度量岩体的破坏和强度。葛修润提出了岩石是否发生疲劳破坏和应力门槛值有关,并认为岩石疲劳门槛值接近常规屈服值。Akai认为岩石单轴疲劳破坏似乎受静态全过程轴向变形控制。在循环幅值荷载、加载波形等对岩石疲劳寿命影响的研究方面,莫海鸿、吴玉山和林卓英做了一定的工作。     

自然锈蚀钢筋的疲劳试验

为科学预测并适当延长既有服役混凝土桥梁的使用寿命,在考虑锈蚀率和应力幅值影响的基础上,对在服役老化混凝土构件中截取的25根锈蚀钢筋试件进行了轴向拉伸疲劳试验.经统计回归分析,建立了考虑锈蚀率影响的轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋疲劳曲线方程,探讨了轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋疲劳寿命的退化规律,给出了50％保证率不同预期疲劳寿命下轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值,并与轻度、中度加速锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值进行了对比.结果表明:轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋的应力幅值与疲劳寿命均呈对数线性关系,但疲劳寿命急剧下降,且应力幅值越大其降低幅度越大.     

双向受压岩石在扰动荷载作用下致裂特征研究

 采用频率为2 Hz,幅值分别为6,10,14,18和22 MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现：双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿命明显短于在弹性阶段进行的疲劳测验的寿命。试件的疲劳寿命离散性较大,即使在同一动载幅值下也表现出很大差异,但相同应力幅值下最终破坏点处的变形量却基本相同,并且随着动载的幅值的增大而减小。研究还显示：具有相对较长疲劳寿命的试件的轴向变形量与循环次数(或时间)的关系曲线呈现出明显的3个阶段特性,其变化趋势与岩石蠕变曲线基本相同。岩石的最终破坏是由3个阶段的疲劳损伤累积所致,各阶段变形量占总变形量的比例、破坏模式和块度分布均与受到的动载应力幅值有关。     

周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性试验研究

为研究周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响作用,利用Rockman207岩石力学试验系统对黄砂岩试件进行了单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳破坏受到静态应力–应变全过程曲线轴向、环向以及体积变形量的控制,在控制曲线的峰值强度或峰值强度之后,疲劳试验过程中会出现"初始破坏";黄砂岩疲劳破坏轴向和环形不可逆变形的3阶段发展规律的本质影响因素是产生的应变速率不同,黄砂岩的疲劳破坏过程是轴向和环向不可逆变形不断累积的过程;在一定条件下,黄砂岩的循环次数–上限应力曲线(N–S曲线)可以用来预测岩石的疲劳寿命。     

周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究

利用RMT—150B岩石力学多功能试验机完成了单轴压缩状态下砂岩、大理岩和花岗岩试件疲劳破坏变形及机理的较为系统的试验研究．试验结果表明，岩石的疲劳破坏受到静态应力．应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力-应变全过程曲线后区对应的变形量相当．将岩石轴向不可逆变形发展划分为初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段3个阶段，3个阶段变形的累积将导致岩石的最终破坏．影响岩石疲劳寿命的主要因素是周期荷载的上限应力和幅值．     

基于断裂力学理论拉索疲劳寿命定量分析方法研究

基于金属疲劳断裂理论,给出了拉索类桥梁拉索疲劳强度的定量分析方法,通过对计算式的分析可以得到如下结论:应力疲劳寿命分析方法能够考虑拉索截面尺寸、材料塑性以及外界荷载产生应力比等因素对拉索疲劳寿命的影响,分析理论正确,考虑的因素比较全面,是进行拉索疲劳寿命分析的较好方法。同时,拉索类桥梁索体的疲劳强度的设计,应该采用当量名义应力幅表示的理论疲劳极限作为拉索的疲劳强度设计值,当量名义应力幅表示的理论疲劳极限考虑了外界荷载产生的应力比对拉索疲劳寿命的影响,与传统的疲劳强度估算方法相比,具有充分的理论依据,考虑因素更加全面,结果更加可靠。     

带裂纹钢吊车梁剩余寿命评估

论述了钢结构疲劳裂纹计算分析的基本理论,针对工业厂房的重级工作制钢吊车梁,建立了采用非等幅荷载谱对带裂纹钢吊车梁剩余寿命的分析评估方法,计算分析了不同应力幅值及初始裂纹尺寸条件下钢吊车梁剩余疲劳寿命。计算表明:钢吊车梁剩余疲劳寿命受应力幅值大小及裂纹长度影响较大,按照指数形式衰减,受裂纹深度的影响相对较小。采用NASGRO公式可对存在初始裂纹的钢吊车梁进行剩余疲劳寿命评估,效果良好,应用前景广阔。     

高强钢筋应力与应变疲劳特性的试验和理论研究

为比较高强钢筋与HRB400钢筋在疲劳特性方面的差异,通过应力疲劳试验,获得HRB600E、HRB500E钢筋的容许应力幅值,分析钢筋直径对容许应力幅的影响;研究高强钢筋在等幅应变疲劳过程中的应力-应变循环特性,给出Coffin-Manson和Hollomon模型的拟合式和三参数疲劳计算式。首次用耗能韧度评价钢筋在应变疲劳过程中(或地震反复作用)消耗地震能量的能力。结果表明：钒-氮微合金化生产的HRB500E钢筋,其低周应变疲劳寿命和循环韧度均优于钒-氮-铌方法生产的HRB500E钢筋;高强度钢筋有利于提高疲劳寿命、容许应力幅值和总耗能韧度等;总耗能韧度与应变幅有关,增加应变幅值,总耗能韧度减小;相同应变幅值,T63E高强钢筋疲劳寿命比HRB400钢筋更长。最终建立总应变幅与强度损失系数、塑性应变范围的关系。     

新Ⅲ级钢筋的常幅疲劳和变幅疲劳

本文对变形钢筋在常幅荷载下的试验结果进行分析,得出了不同应力比时的S-N曲线、Goodman图及疲劳寿命N与最大应力σ_(max)、应力幅△σ的关系。在此基础上应用Miner线性累积损伤定律,探讨了变幅荷载下钢筋疲劳寿命的计算方法和可靠度分析方法,提出了具有一致可靠度的设计建议;同时分析了变形钢筋疲劳强度的主要影响因素和疲劳破坏的微观机理。     

腐蚀预应力钢绞线疲劳寿命概率模型

考虑腐蚀程度对钢绞线SN曲线斜率及指定应力幅下特征疲劳寿命的影响,将腐蚀程度作为协变量引入表征疲劳寿命的三参数Weibull模型,将疲劳寿命、应力幅及腐蚀程度统一在概率模型中,构建可以定量评价腐蚀影响的钢绞线疲劳寿命多参数Weibull模型。根据模型的物理含义给出参数取值的限制条件,推导模型参数的极大似然估计算法,进一步采用腐蚀钢绞线疲劳试验数据构建具有概率保证率的疲劳寿命随腐蚀程度与应力幅变化的空间曲面。研究表明：该多参数Weibull模型能够较好地评价腐蚀程度对钢绞线疲劳寿命的定量影响,钢绞线疲劳寿命随着腐蚀程度的增加而迅速减小,相对于应力幅而言腐蚀程度对钢绞线疲劳寿命的影响更显著。低应力幅条件下钢绞线疲劳寿命随腐蚀程度增大而降低更多,低应力幅时疲劳寿命对腐蚀更敏感。随着腐蚀程度的增加,指定疲劳寿命下的许用应力幅迅速降低。该多参数Weibull模型可为在役预应力混凝土结构疲劳性能评定提供理论依据。     

盐岩的压剪疲劳特性与位错损伤研究

 开展不同剪切角度的压剪试验和疲劳试验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为量度指标的损伤关系模型。得到的主要结论有：(1) 大于45度角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰值应力和最大变形量均随着剪切角度的增大而减小。裂纹以剪切面附近扇形裂纹发育为主;(2) 疲劳寿命和循环荷载的上限应力水平相关。剪切角度不同时,若应力水平相同,则其疲劳寿命(循环数)基本相同;若应力大小相同,则剪切角度越大,疲劳寿命越短。(3) 变向剪切对盐岩的疲劳寿命影响巨大,使疲劳寿命下降90%以上。(4) 盐岩疲劳裂纹的成核和位错的不断挤入挤出有关,裂纹扩展是多滑移系交替滑移的结果。建立了基于位错理论的盐岩损伤模型,使损伤能从本质上表达盐岩的破坏过程。越大的疲劳损伤使盐岩的承载能力下降越明显。     

钢筋蚀坑对其疲劳断裂特性的影响

基于降载勾线法,对人工钻孔模拟蚀坑的3根HPB300钢筋试件开展了疲劳裂纹扩展试验,并结合FRANC3D软件对钢筋疲劳裂纹扩展规律进行了数值分析.在此基础上,以不同应力幅值对12种尺寸的半椭圆形蚀坑钢筋模型的裂纹扩展过程进行了数值分析.结果表明:钢筋裂纹扩展速率前期缓慢增长,后期迅速增大;初始裂纹深度较大的钢筋疲劳寿命明显缩短;初始裂纹深宽比越大的钢筋疲劳寿命越短;应力幅值增大会使缺陷钢筋疲劳寿命缩短,并且初始裂纹深宽比越大的钢筋,其后期裂纹扩展速率增长越快,疲劳寿命缩短越明显.     

Fatigue properties of intact sandstone samples subjected to dynamic uniaxial cyclical loading

In this paper, the fatigue behaviour of intact sandstone samples obtained from a rockburst prone coal mine and studied under dynamic uniaxial cyclic loading in the laboratory is presented. Tests were conducted on dry and saturated samples with loading frequencies ranging from 0.1, 1 and 10 Hz and amplitudes of 0.05, 0.1 and 0.15 mm. From the laboratory investigations, it was found that the loading frequency, as well as the amplitude, was of great significance and influenced the rock behaviour in dynamic cyclic loading conditions. The dynamic fatigue strength and the dynamic axial stiffness of the rock reduced with loading frequencies and amplitude. The dynamic modulus was found to increase with the loading frequency but decrease with the amplitude. In the case of the saturated samples, it was found that the dynamic fatigue strength reduced by approximately 30 per cent, while the dynamic Young's modulus reduced by about 20 per cent. From the presented study, the dynamic energy was found to be independent of the testing conditions while other rock properties were found to be dependent on these. Finally, it was concluded that rock would more readily succumb at low frequencies and amplitude than at high frequencies and amplitude for a given energy availability.     

超长循环荷载下轻质混凝土疲劳特性

采用MTS万能试验机对外掺30%体积分数聚苯乙烯颗粒的轻质混凝土试件施加不同频率(5,10Hz)及荷载幅值(30,35,40kN)的超长循环荷载,进行累计2 000×104振次的疲劳试验,研究其动应力-应变滞回曲线形态随振次的变化规律,并计算了对应的阻尼比、动弹性模量等动力学性能.结果发现:与同强度等级的混凝土相比,轻质混凝土阻尼比较大,动弹性模量稍低,表明其吸能效果更好,韧性与抗裂性能也更为优异;轻质混凝土试件在1 570×104振次左右出现了细微裂缝,根据其附近的应力应变关系发现,该试件的阻尼比与动弹性模量在疲劳损伤前后基本保持稳定;提出和验证了轻质混凝土疲劳寿命预测公式,并对其应用于道床的可行性进行了研究.     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

Dynamic buckling mechanism of pillar rockbursts induced by stress waves

Rockbursts are sudden and violent rock failures that can lead to huge production and equipment losses,injury or death of mining workers.Buckling has been regarded as one of the key mechanisms of rockbursts,which are often induced by dynamic loads from mining excavations,such as drilling and blasting in underground mining.The paper attempts to investigate the dynamic buckling mechanism of pillar rockbursts in underground mining,by considering rockbursts as a dynamic stability problem of underground rock structures.The results include:(1) A new explanation of the "sudden and violent" phenomenon of rockbursts,characterized by exponential growth of the amplitudes of transverse displacement responses,even in the presence of rock damping;(2) Identification of the critical role in inducing rockbursts of dynamic loads that bear frequencies approximately double the natural pillar frequency;(3) The greater influence on rockburst occurrence of the amplitude of dynamic component relative to the static component of loads;and(4) Quantification of the relative effects of stress waveform of dynamic loads on pillar rockbursts,which are in decreasing order if other parameters remain constant:rectangular,sinusoidal,and exponential waveforms.Application examples are provided and limitations of the approach are discussed.This research is motivated by the on-going and ubiquitous occurrence of rockbursts in underground excavations all around the world.In contrast to conventional methods that use rock specimens or rock materials to study rockbursts,this investigation emphasizes the structural effects on rockbursts,which has potential applications in hard rock mining engineering.     

不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征研究

 开展花岗岩细观疲劳损伤特征的试验研究对于理解花岗岩宏观力学疲劳特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机,对花岗岩试样采用幅值为10 MPa,频率分别为0.01,0.02,0.05,0.10,0.20,0.50和1.00 Hz的正弦疲劳荷载进行单轴循环加卸载试验;然后,利用扫描电镜(SEM)获取大量花岗岩细观微结构信息,来研究不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征。结果表明：在较低频率循环荷载作用时,沿晶裂纹是3类晶体主要损伤形式;当荷载频率较高时,石英和云母仍以沿晶裂纹为主要损伤形式,而长石则表现出以沿晶裂纹为主,穿晶裂纹和晶内裂纹为辅的损伤特征;沿晶裂纹和晶内裂纹的方位角表现出趋于循环荷载轴向方向的特征,而穿晶裂纹方位角则表现出明显的无规律性;沿晶裂纹是主要的损伤发展方式,穿晶裂纹次之,晶内裂纹对损伤发展基本没有贡献。     

等幅疲劳荷载作用下超高韧性水泥基复合材料弯曲疲劳寿命试验研究

通过弯曲疲劳试验研究了超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）的弯曲疲劳寿命、疲劳变形以及破坏特征等。试验结果表明：疲劳荷载作用下,UHTCC也会产生多条裂缝,随应力水平降低,裂缝数目减少,使得其变形能力减弱;疲劳破坏后,试件断面可分为3个不同区域,且不同应力水平下,纤维的拔出破坏和拉断破坏比例不同。UHTCC疲劳寿命服从双参数的威布尔分布,根据威布尔参数拟合的S-N双对数方程呈明显的双线性特征,原因是在低周与高周疲劳荷载循环作用下UHTCC中PVA纤维发挥作用的程度有所不同。