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《长安大学》 2017年
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循环荷载作用下石膏岩疲劳损伤特性及其本构模型

黄兴  
【摘要】:岩石在诸多工程领域中除受到恒定的静荷载作用外,还常常会受到如爆炸、冲击、震动等动荷载作用,如隧道围岩除承受围岩应力等静荷载作用外,还会受到车辆荷载等动荷载作用。周期循环荷载是最简单也是最为典型的动荷载类型,可以作为复杂动荷载作用下岩石力学特性研究的基础与关键。本文选取湖北某地区某典型隧道的石膏围岩作为研究对象,利用MTS815岩石电液伺服系统开展其循环荷载条件下的疲劳试验,同步利用SAEU2S型多通道声发射检测系统测试岩样疲劳过程中的声发射规律,利用环境扫描电镜对循环前后试样进行微观结构特征变化观察,并结合断裂力学、热力学、连续介质损伤力学等数学、力学理论及岩石蠕变的一些研究成果等进行了系统的研究,并取得了以下研究成果:1.循环荷载下石膏岩典型的应力-应变全过程曲线呈“疏-密-疏”的演化规律,疲劳过程分为循环初始、循环稳定、循环加速三个阶段。声发射信息与宏观应力应变演化相对应,二者均可以反映石膏岩内部微裂纹的发展演化。2.循环荷载条件对石膏岩疲劳损伤特性影响显著,循环应力水平高、上限应力比大、循环频率低,则每次加卸载的滞回环面积大,损伤速率较快,产生的塑性应变量大,试样的疲劳寿命相对较短,试样破坏形态宏观层次上以少量“大裂纹”为主,微观层次上以贯穿晶格且大张开度的微观裂纹为主。循环频率越高,试样的变形模量越大,试样抗疲劳破坏能力越强。3.运用统计学的观念,认为岩石微元强度服从Weibull分布,且认为岩石损伤实际上是破坏微元占微元总数的比例,并借鉴有效应力原理的概念,认为上部应力由损伤区域与未损伤区域共同承担,并建立静荷载作用下岩石的损伤本构模型。4.考虑到循环荷载与蠕变损伤过程的相似性,基于蠕变相关研究结果的启发,引入“等效应力”的概念,建立石膏岩循环荷载下的损伤本构关系,并得到损伤变量的计算方法,得出了剩余疲劳寿命的计算方法。5.利用声发射的相关信息参数建立损伤变量的演化方程,其与以宏观应力应变为基础建立的损伤演化模型具有一致的预测结果,并以此为基础探究加载过程中声发射事件发生的时序特征。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU45

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