隨機(jī)載荷下巖石疲勞損傷特性實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、巖石是由多種礦物晶粒、充填物及孔隙缺陷等組成的復(fù)雜的非線性材料，其內(nèi)部含有大量隨機(jī)分布的裂紋、節(jié)理、斷層、孔洞、充填物等地質(zhì)缺陷。裂隙巖石中充填物或是夾雜物的存在，對(duì)巖石疲勞損傷和工程穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響。因此，在巖石力學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究中，充分考慮裂隙巖石中充填物的影響，能夠更合理地解釋工程實(shí)踐中巖石的損傷與破壞現(xiàn)象。 另一方面，巖石在隨機(jī)(循環(huán))載荷作用下的力學(xué)性能是爆破巖石、維護(hù)巖體工程穩(wěn)定性的需要考慮的重要因素之一。例

2、如礦山鑿巖爆破中，爆破沖擊載荷實(shí)際上是一種隨時(shí)間變化的隨機(jī)載荷；橋梁基巖，受過往車輛載荷的循環(huán)動(dòng)載荷；大壩基巖，受水庫(kù)水位周期性漲落引起的循環(huán)動(dòng)載荷。研究隨機(jī)(循環(huán))載荷作用下的裂隙巖石的強(qiáng)度和變形特性，將有助于正確認(rèn)識(shí)巖石的破壞機(jī)理和工程的失穩(wěn)規(guī)律，進(jìn)而科學(xué)地進(jìn)行礦山鑿巖爆破設(shè)計(jì)，科學(xué)地評(píng)價(jià)巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由于工程實(shí)踐的需要，以及理論研究的不斷深入，隨機(jī)載荷下巖石疲勞損傷特性的實(shí)驗(yàn)與理論研究，成為目前國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)工作者和巖土工程界

3、關(guān)注的前沿課題之一。 本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，針對(duì)巖石內(nèi)部存在的缺陷特點(diǎn)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上探討了隨機(jī)載荷作用下含缺陷巖石疲勞損傷特性和破壞機(jī)理。本文的主要工作有以下幾個(gè)方面： 1、從巖石隨機(jī)加載與循環(huán)加載的累積損傷等效性角度出發(fā)，推導(dǎo)了隨機(jī)加載與正弦加載對(duì)帶裂紋結(jié)構(gòu)的累積損傷的等效性方程，給出了疲勞損傷等效性的數(shù)值算法，從理論上解決了用循環(huán)(正弦)加載的方法來(lái)研究隨機(jī)加載的合理性問題，從而實(shí)現(xiàn)了用INSTRO

4、N疲勞試驗(yàn)機(jī)就可以進(jìn)行隨機(jī)加載的巖石特性試驗(yàn)研究； 2、采用水泥砂漿和充填材料模擬含缺陷巖石，分別對(duì)含孔洞、充填物缺陷試樣進(jìn)行了循環(huán)加載下的疲勞試驗(yàn)，分析了含不同缺陷試樣所對(duì)應(yīng)的破壞特征，并從循環(huán)次數(shù)比較了含不同缺陷試樣的疲勞壽命。從應(yīng)力一應(yīng)變曲線和軸向不可逆變形曲線分析了與疲勞損傷相對(duì)應(yīng)的階段性規(guī)律； 3、采用聲發(fā)射技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了含缺陷巖石疲勞損傷實(shí)驗(yàn)的全過程，并對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域和頻域特征分析，從而得到含缺

5、陷巖石在疲勞損傷實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射特征； 4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所觀察到的破壞特征和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，合理地解釋了含缺陷巖石疲勞損傷破壞機(jī)理，分析了影響含缺陷巖石疲勞損傷的主要因素； 5、考慮充填物與巖石基體在彈塑性、熱性上的差異，運(yùn)用彈性力學(xué)方法分別計(jì)算了巖石中孔洞、充填物缺陷及巖石基體附近的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中程度，分析了疲勞裂紋萌生的區(qū)域和擴(kuò)展方位，并結(jié)合ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證彈性力學(xué)方法的正確性，并