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《天津大学》 2018年
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循环冲击荷载下脆性岩石疲劳特性研究

董松林  
【摘要】:在工程实践中,岩石或岩体常受到循环冲击荷载的作用。然而,目前对于动荷载循环作用下岩石的疲劳损伤力学特性和破坏方式的认识还有不足,理论研究落后于工程实践。因而,对循环冲击作用下岩石的疲劳损伤力学特性及其破坏模式的研究,有重要的科学价值和工程意义。本文通过38.1mm直径的SHPB实验系统研究了岩石试样在循环冲击作用下的疲劳特性,试验包括循环压缩冲击和循环拉伸冲击两部分。循环压缩冲击试验采用由高到低共7个冲击应力进行循环冲击,得到了循环冲击的冲击应力和疲劳寿命的关系,并分析了试样在循环冲击过程中动态杨氏模量、轴向应变、吸收能量等参量的变化。通过测量每次循环冲击前后试样的轴向和径向的P波波速来反映试样内部损伤的演化情况。研究表明存在疲劳应力门槛值,且该应力门槛值介于单次冲击临界破坏应力的0.55倍到0.58倍之间。随着循环压缩冲击的作用,岩石动态杨氏模量逐渐降低,最大轴向应变逐渐增加。径向的P波波速一直衰减直到试样破坏,而轴向的波速衰减较小,甚至出现波速增加的现象。原因可能是由于循环冲击造成的微裂纹产生和发展的方向是沿着轴向的,而该方向的裂纹对于该方向的波速来说影响比较小;并且由于压缩冲击的作用,试样沿轴向会被压紧,因此出现波速增加的现象。通过CT扫描和对有机玻璃材料的循环冲击试验,这一过程和解释得到了验证。循环拉伸冲击通过动态巴西劈裂试验来实现。研究了试样在循环拉伸冲击作用下发生疲劳破坏的过程,通过分析循环冲击过程中试样吸收能量和三个不同方向P波波速的变化来反映内部损伤演化情况。研究发现:试样三个方向的波速都随着循环冲击不断衰减,但是总的衰减幅度比较小。这表明,与压缩疲劳相比,岩石抗拉伸疲劳的性能差,即在很少的损伤累积后就发生疲劳破坏。本文通过选取能量和三个方向的P波波速来定义损伤变量,研究了在循环压缩冲击和循环拉伸冲击作用下试样内的疲劳损伤的演化过程。研究发现:利用能量作为损伤变量,循环冲击应力下的损伤演化规律基本相同,即呈线性增长的形式。利用波速定义损伤的研究发现,以径向的波速做为损伤变量比以轴向波速做损伤变量更适合。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU45

【参考文献】
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