周期荷載作用下巖石非線性變形與損傷特性

內容概要

　　《周期荷載作用下巖石非線性變形與損傷特性》以試驗手段為依據，采用理論與試驗相結合的研究方法，研究了單調及周期荷載作用下巖石的宏觀變形及損傷特性、巖石損傷破壞過程中的聲發(fā)射特性及其CT細觀損傷演化規(guī)律，并結合相關試驗結果，運用非線性理論進行了系列有益的探討。　　《周期荷載作用下巖石非線性變形與損傷特性》可供地質、采礦、巖土工程及相關領域的科研人員、工程技術人員、研究生和高年級本科生參考使用。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 背景及意義1.2 研究進展1.2.1 巖石損傷力學研究進展簡介1.2.2 周期荷載作用下巖石宏觀變形規(guī)律及損傷特性研究進展1.2.3 基于聲發(fā)射及CT的巖石損傷檢測研究進展1.2.4 非線性科學在巖石力學中的應用研究進展1.3 本書主要內容第2章 周期荷載作用下巖石的宏觀變形特性2.1 試驗概述2.1.1 加載設備2.1.2 巖樣制備2.1.3 巖樣SEM圖像及基本物理性質2.2 單調加載條件下巖石的宏觀變形特性2.2.1 變形特性2.2.2 破壞特征2.3 周期荷載作用下巖石的宏觀變形特性2.3.1 變形特性2.3.2 破壞特征第3章 基于聲發(fā)射的巖石損傷破壞規(guī)律3.1 試驗概述3.1.1 聲發(fā)射系統(tǒng)3.1.2 消噪措施3.1.3 其他措施3.2 單調加載條件下巖石的聲發(fā)射特性3.2.1 聲發(fā)射參數3.2.2 不同條件下單調加載巖石聲發(fā)射特征比較3.3 周期荷載作用下巖石的聲發(fā)射特性3.3.1 不同條件下周期荷載巖石聲發(fā)射特征比較3.3.2 周期荷載作用下巖石損傷破壞聲發(fā)射規(guī)律3.3.3 巖石聲發(fā)射的Felicity效應3.3.4 巖石破壞過程中卸載時的AE活動性3.4 巖石破壞過程的聲發(fā)射三維定位及影響因素分析3.4.1 定位試驗概述3.4.2 定位試驗結果第4章 巖石變形破壞過程的細觀損傷演化分析4.1 試驗概述4.1.1 試驗設備與巖樣參數4.1.2 CT掃描數據與試樣密度關系4.2 單調加載變形破壞的CT細觀試驗4.2.1 CT數據分析4.2.2 力學關系4.3 循環(huán)荷載作用下巖石變形破壞過程CT實時掃描4.3.1 加、卸載路徑及CT掃描點選擇4.3.2 試驗結果4.4 循環(huán)荷載作用下巖石CT細觀損傷演化分析4.4.1 CT圖像分析4.4.2 試驗分析4.4.3 損傷演化分析第5章 巖石損傷破壞過程的非線性特征5.1 從無序到有序——耗散結構理論對巖石損傷破壞規(guī)律的解釋5.1.1 巖石破壞過程中耗散結構的形成機制5.1.2 用耗散結構理論解釋周期荷載作用下巖石損傷破壞規(guī)律5.2 巖石破壞過程的突變5.2.1 試驗過程中加載系統(tǒng)的突變5.2.2 巖石損傷演化過程中的突變5.3 巖石損傷破壞過程中的分形和混沌5.3.1 分形與混沌5.3.2 相空間重構5.3.3 巖石損傷破壞過程中AE序列關聯(lián)維數演化分析5.3.4 聲發(fā)射時間序列的混沌特征5.4 采動影響下采場邊坡位移的非線性分析5.4.1 變形與位移分形5.4.2 巖質邊坡位移的非線性分析……第6章 結論參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 背景及意義　　巖石在單調加載條件下的力學特征已為多數人所認識，而在復雜加載路徑與受荷歷史情況下的力學機制方面的研究卻相對較少，其中，周期荷載（本書即指循環(huán)荷載，下同）是最常見也是最簡單的力學現象之一。巖石在周期荷載作用下的疲勞現象很少引人注意，但這一現象對于巖土工程穩(wěn)定卻十分重要［1］。在巖土工程施工及其工程運營階段，經常會遇到周期性循環(huán)荷載的作用，由于未能掌握周期性荷載作用下的巖土體失穩(wěn)破壞規(guī)律而引發(fā)重大災害的例子不少，如廣為熟知的意大利Vajont水庫巖坡滑動、法國Malpasset拱壩壩基位移導致整個拱壩坍塌、中國梅山連拱壩壩基（花崗巖）滑動等災害的形成都涉及了巖體在周期性荷載作用下的長期穩(wěn)定性問題［2～4］。此外，三峽水庫蓄水以來，三峽地區(qū)微震活動頻度明顯增加，庫區(qū)大小地震上千次，崩塌滑坡4000多處。微震活動主要集中在巫山―秭歸―長陽一帶，強度雖未突破正常狀態(tài)，但地震周期性作用造成的庫岸松散堆積物、塌岸和局部滑移也會危及部分居民點的安全，而且三峽庫區(qū)是否發(fā)生強震仍然是相當長時間內需要特別關注和預防的關鍵問題。因此，開展對周期性荷載作用下巖石的非線性變形特征及損傷演化規(guī)律的研究既是巖石力學與工程領域的專家學者所關注的前沿課題之一，同時也有助于正確認識巖體在周期性荷載作用下的破壞機理，進而科學地評價工程巖體的長期穩(wěn)定性［1～4］。其研究成果特別對解決諸如三峽水利樞紐工程、南水北調工程等國家能源工程及西部大開發(fā)建設中存在的包括大壩壩基、水庫及其庫岸邊坡、庫區(qū)道路和路塹邊坡、庫區(qū)港口等在反復排、蓄水過程中的長期變形和穩(wěn)定性以及巖體在頻繁發(fā)生的不可預料的地震荷載作用下的響應等在內的問題具有重要的科學意義和廣泛的推廣應用前景。　　眾所周知，巖石（體）是賦存于自然界中的十分復雜的介質，它是天然地質作用的產物，是自然界中多種礦物的集合體，不同巖石（體）在其形成的過程中經歷了不同的地質作用，包括地應力變化、各種風化作用以及人類各種營力的作用，這些作用的綜合使各種巖石甚至是同一種巖石的成分和結構特征都各有差異，從而使巖石呈現明顯的非線性、不連續(xù)性、不均質性和各向異性等特征［5］。可見，巖石（體）較其他人工材料的力學屬性有很大的復雜性，全面認識它們的力學屬性有很大難度。走出這一困境的一條有效途徑是運用非線性理論來研究復雜的巖石（體），將巖石（體）或巖石工程看做一個由多因子、多層次組合而成的，具有很強不確定性和隨機性的復雜系統(tǒng)，利用非線性理論研究巖石變形與損傷過程中的演化規(guī)律或對巖石力學系統(tǒng)所表現出的非線性特征進行分析。所以，巖石力學的重要研究領域之一就是在傳統(tǒng)研究方法的基礎上綜合利用非線性科學相關理論，正確、深入地認識巖石的上述特征和比較正確地把握巖石在各種荷載作用下，以及在各種因素影響下的動、靜態(tài)力學響應?！　〕藥r石介質的復雜性以外，我們更應該看到，巖石（體）在自然界或實際工程中具有復雜的受載路徑與受載歷史，然而迄今為止，這方面的研究成果并不多。在巖石的復雜受載路徑與受載歷史中，周期荷載的疲勞過程是最常見也是最簡單的力學現象，并且與巖石的單調荷載方式密切相關，因此，周期荷載的疲勞問題研究可以作為復雜受載路徑與受載歷史下巖石力學研究的“重要突破口” 。疲勞是指材料或結構在循環(huán)荷載的反復作用下性能逐漸劣化直至失穩(wěn)破壞的過程。土木工程領域對疲勞問題的研究始于20世紀20年代，主要包括鋼結構、混凝土、土體和巖石幾個方面，對鋼結構、混凝土的疲勞研究較多，而隨著大規(guī)模交通建設，高速公路、飛機跑道、過江隧道、鐵路等的地基土體疲勞問題逐漸引起人們的重視。然而巖石領域疲勞問題的研究國內外開展很少，一方面由于大家對這方面的研究沒有引起普遍注意；另一方面由于巖石的離散性很大，為疲勞研究工作帶來了很大困難［4］?！　”緯芯績热菔菫榱松钊胝J識巖石在單調及周期性循環(huán)荷載條件下的變形、損傷規(guī)律與破壞機制，為解決公路、鐵路基礎及其路塹邊坡、隧道、大壩壩基、露天采礦邊坡平臺、礦山周期性頂板來壓、巖石的鉆進和巖體的抗震等工程的長期穩(wěn)定性，并針對三峽庫區(qū)面臨頻繁地震活動以及周期蓄、排水而帶來的重大工程實際和理論問題而提出。國內外在有關巖石宏、細觀損傷破壞及周期荷載作用下巖石的變形方面已有不少研究成果，但并未見到不同條件下巖石變形基本階段及其相應特征點的系統(tǒng)性的周期荷載試驗研究成果，也未見到周期荷載下巖石損傷演化規(guī)律與非線性特征的系統(tǒng)研究成果以及有關巖石的多級疲勞損傷與破壞的CT細觀研究方面的報道。因此，結合非線性理論系統(tǒng)地開展周期荷載作用下巖石的變形與損傷演化規(guī)律方面的研究不僅具有重要的工程指導意義，也具有較高的理論研究價值?！　?.2 研究進展　　本書以試驗手段為依據，采用理論和試驗相結合的研究方法，研究內容涉及單調及周期荷載下巖石的變形與損傷檢測及其非線性特征等諸多方面，由于巖石在單調加載條件下的力學試驗是巖石力學常規(guī)試驗，不再贅述，其研究進展主要體現在試驗手段的更新上（如CT方法、聲發(fā)射法等），故結合具體檢測方法予以探討?！　”緯鴮⒑喴榻B巖石的損傷力學基礎及研究進展，重點介紹周期（循環(huán)）荷載作用下巖石宏觀變形特性及損傷破壞規(guī)律，基于聲發(fā)射及CT細觀試驗的巖石損傷破壞以及非線性科學在巖石力學中的應用等方面的研究進展。參考文獻主要以近10年文獻為主，重點是近5年來的文獻，兼顧10年前有影響的研究成果。　　1.2.1 巖石損傷力學研究進展簡介　　巖石可視為一種非均質的多相復合結構，而且存在大量的天然缺陷，且這些缺陷的分布完全是隨機的。巖石在受到外界力作用以后，彌散在巖石內部的微缺陷不斷變化，在部分區(qū)域內出現貫通，進而形成宏觀裂縫導致巖石失穩(wěn)破壞。巖石的破壞過程是非常復雜的，如果只是單純地用經典彈塑性力學或斷裂力學的方法來描述，將難以獲得理想的結果，因此，有必要將損傷理論引入到對巖石的研究中?！　r石的損傷過程可以看做是連續(xù)的，并且在很小的應力、應變下就已發(fā)生，至于外界力作用以前就存在的缺陷可以作為初始損傷處理。巖石損傷力學著重考察的是損傷對材料宏觀力學性質的影響以及材料的損傷演化過程和規(guī)律。這與傳統(tǒng)破壞理論只注重變形至破壞的起點-終點式的研究方式截然不同，損傷力學的研究方法使得對巖石力學特性的認識更加深刻和全面［6］?！　￡P于巖石類材料損傷力學的研究，文獻［7］～［9］中已經進行過總結，文獻［9］側重于巖石損傷力學的起源、經典理論以及當時的研究成果，而文獻［7］則更多關注巖石斷裂及損傷力學的最新成果、研究動態(tài)和發(fā)展現狀。一般認為，巖石損傷力學模型的研究方法從其立足點和研究尺寸大致分為微觀的、細觀的和宏觀的三類。　　微觀模型是在分子、原子層次上研究材料的物理過程以及物質結構對損傷的影響，然后用經典或用量子統(tǒng)計力學方法來推測其宏觀力學效應。微觀的方法因理論不夠完善，且統(tǒng)計量太大，使之僅能定性而有限度地預測某些損傷現象［9］，而且由于微觀涉及的尺度較小，目前的試驗手段還滿足不了。因此到目前為止，對巖石等脆性材料的損傷理論研究主要集中在宏觀和細觀兩個尺度范圍內［10］。　　宏觀損傷模型即通常所說的連續(xù)介質損傷力學（CDM），基于宏觀尺度上的連續(xù)介質力學與不可逆熱力學理論，把包含各種缺陷的材料看成是一種有“微損傷場”的連續(xù)體，引進了在物體內連續(xù)變化的損傷變量來描述損傷狀態(tài)，然后在滿足力學、熱力學基本公設和定理的條件下，唯象地確定損傷體的本構方程和損傷演化規(guī)律。Krajcinovic［11］運用熱力學等理論對巖石類脆性材料的本構方程進行了較為全面的研究。Ortiz［12］提出了建立在微裂紋損傷基礎上的連續(xù)損傷模型，該模型被Yazdani等［13］加以發(fā)展和推廣。Costin［14］提出了建立在微裂紋損傷基礎上的連續(xù)損傷模型，其等效宏觀損傷標準表征微裂紋的擴展。Marigo、Lemaitre、Murakami、Shen、邵建富等也提出了不同的連續(xù)介質損傷力學模型［8］。近年來，各向異性損傷理論及各類耦合模型［15，16］的建立已成為CDM的核心和發(fā)展前沿?！　〖氂^模型，略去了某些損傷的物理過程細節(jié)，從顆粒、晶體、孔洞等細觀結構層次研究各類損傷的形態(tài)、分布及其演化特征，從而預測物體的宏觀力學特征。細觀損傷力學的一方面主要是研究細觀損傷結構與力學之間的定量聯(lián)系。較多的是以數值方法或者分析方法去分析一個確定的體積V，確定體積內含有一個或幾個孔洞或者裂紋，然后假設損傷材料是由這樣的確定體積堆筑而成［8］。Gurson［17］假設基體為剛塑性體，對確定體積中有孔洞情況進行了系統(tǒng)的研究?！　emat-Nasser等［18，19］假設基質為各向同性彈性體對確定體積中有裂紋情況采用分析方法進行了研究建模。Tu等［20，21］對脆彈性體裂紋處于各向異性的情況進行了研究建模?！　〖氂^損傷力學的另一個方面主要是研究細觀損傷結構的演化和發(fā)展，其中比較熱門的是用統(tǒng)計物理數學理論研究細觀損傷的演化和發(fā)展，俗稱統(tǒng)計細觀損傷力學［8］。嚴格說來，用統(tǒng)計方法進行巖石類材料的損傷研究是把微觀、細觀和宏觀結合起來的一種方法，統(tǒng)計損傷方法的最大優(yōu)點是模型簡潔、計算量小、模型參數易于取得。所以，巖石統(tǒng)計損傷模型在最近10年中得到大量關注［7］，三種統(tǒng)計模型得到發(fā)展：基于連續(xù)損傷力學統(tǒng)計模型［22］、微元統(tǒng)計模型［23］和網絡統(tǒng)計模型［24］。同時，巖石統(tǒng)計損傷理論在工程中也得到很好應用［25，26］，而基于巖石統(tǒng)計損傷理論的有限元軟件RFPA則被越來越多的人所認識和使用?！　】傊趲r石損傷理論和應用研究中，微觀、細觀、宏觀理論均得到發(fā)展，但微觀理論的應用受到限制，而細觀和宏觀損傷模型理論和應用的發(fā)展則更深入一些?！　∮捎趲r石材料力學性質的復雜性，目前還沒有哪種損傷本構模型能夠精確地對其進行表達，任何一種方法都只是一種近似。所謂模型的“精確”，只是模型對客觀實際的某種程度能夠接受的“逼近”，目前，理論分析中的巖石損傷模型越來越復雜，參數越來越多，而工程應用中則更多注重參數較少、計算簡單、應用方便。此外，由于巖石損傷過程的復雜性，對其進行準確的宏觀描述往往比較困難，不得不借助統(tǒng)計分析以及非線性分析等手段［6］。　　1.2.2 周期荷載作用下巖石宏觀變形規(guī)律及損傷特性研究進展　　對周期性循環(huán)荷載作用下巖石類材料的宏觀變形特性方面的研究，最初主要體現在對混凝土材料方面的研究，并初步形成了一些較為成熟的理論和試驗方法，其研究對象從單軸壓縮到多軸壓縮，從壓縮、彎曲到拉伸、劈裂和抗剪，從等幅、變幅到隨機等［27～30］。而對巖石材料，其相關方面的研究成果卻相對較少，Grover、Dehlinger和McClure最早開展了巖石的疲勞試驗，Burdin、Hardy和Chrdin、Hardy和Chugh、Hainmson和Kin、Attewell和Farmer、Cain和Peng均對巖石的疲勞問題進行了試驗研究［1］。　　近年來，葛修潤、蔣宇等［3，4］對循環(huán)荷載作用下巖石的變形與疲勞破壞做了一些系統(tǒng)的研究工作，如其與Müller于1983年指出在循環(huán)荷載作用下的巖石不可逆變形發(fā)展存在著三個階段，提出以變形來度量巖體的強度和破壞，于1987年又提出了循環(huán)荷載作用下巖石是否發(fā)生破壞與應力門檻值有關，并認為巖石疲勞門檻值接近常規(guī)屈服值。山下秀等［31］做了單軸壓縮轉移試驗，得出了疲勞破壞和蠕變破壞變形上的相似性。McCall等［32］將由不同成分組成的非均勻材料模型的宏觀彈性性質與許多細觀的滯回彈性單元聯(lián)系起來，基于滯后細觀特性彈性單元的假設，討論了準靜態(tài)應力-應變狀態(tài)方程等，巖石的滯后非線性彈性的基本原因在于巖石含有大量諸如裂紋、孔洞等細觀結構特征，這些細觀彈性單元控制了準靜態(tài)的狀態(tài)方程和彈性波的響應。Holcomb［33］對輝綠巖和花崗巖進行了循環(huán)差應力試驗，當差應力大于或等于破壞強度的85%時，體積膨脹，這是非彈性行為的表現，在某些方面，它們又顯示更典型的準彈性行為，由閉合的滯回曲線證明了巖石的記憶性。Tutuncu等［34］在循環(huán)單軸應力狀態(tài)下，對飽和沉積巖的頻率和應變振幅效應進行了研究，在經過4種不同飽和溶液浸泡過的Berea砂巖中均觀測到應力-軸向應變曲線較大的滯回環(huán)，還探討了在沉積的顆粒狀巖石中衰減的機制，即衰減的黏滑滑動和顆粒接觸黏著滯后，孔隙空間中飽和液體的類型與在顆粒接觸中對σ-ε曲線滯后有一個較大的影響。劉云平等［35］研究了在頻率為0.05～4Hz的循環(huán)應力作用下大理巖、砂巖的衰減、彈性（楊氏）模量、泊松比的動態(tài)響應。席道瑛等［36］在頻率為0.05～4Hz時，對干燥、飽水、飽泵油和泵油加瀝青4種類型的砂巖、大理巖進行了垂直層理和平行層理兩個方向的正弦波加載試驗，研究了飽和砂巖的各向異性和非線性黏彈性行為。陳運平等［37，38］通過對飽和砂巖和大理巖的循環(huán)荷載試驗，分析了飽和巖石在循環(huán)荷載下的應力-應變滯回曲線、瞬時泊松比的“X”形變化曲線，以及彈性模量隨應變振幅的增加而減少等滯后現象，探討了飽和巖石在循環(huán)荷載下的滯后和衰減現象的微觀機理，并研究了不同孔隙流體和不同性質的巖石在循環(huán)荷載試驗條件下應力-應變曲線的細微差異。Bagde等［39］利用MTS816巖石力學試驗系統(tǒng)對靜、動態(tài)循環(huán)單軸荷載作用對砂巖力學特性及其損傷的影響展開了研究。許江等［40，41］利用MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)對不同加載速率、不同含水狀態(tài)、不同應力水平等不同試驗條件的循環(huán)荷載作用下巖石滯回曲線演化規(guī)律等展開了深入系統(tǒng)的討論?！　≈苌兄镜龋?2］根據巖石類材料裂紋形成階段的疲勞曲線（S-N），描述疲勞發(fā)展的損傷演變方程，提出了疲勞裂紋擴展的數值計算方法；建立了擴展階段中裂紋尺寸與荷載循環(huán)次數之間的關系，從而將裂紋萌生與擴展這兩個獨立過程納入一個統(tǒng)一的理論體系。樊秀峰等［43］對砂巖在循環(huán)荷載作用下的疲勞損傷特性進行實時超聲波速的跟蹤研究，研究結果表明：穿透砂巖試樣的橫向超聲波速隨著荷載的循環(huán)次數發(fā)生明顯的三階段衰減，即初始迅速衰減、穩(wěn)定衰減與臨近破壞的急速衰減三個階段。王德玲等［44］認為塑性應變的累積是低周疲勞破壞的主要原因，并在巖石疲勞試驗的基礎上建立了巖石疲勞擾動模型。此外，Zhang等［45］、Kowalski［46］也對巖石的疲勞問題進行了研究?！　‰S著大量工程實踐和理論研究的深入，關于周期性循環(huán)荷載作用下巖石類材料非線性彈塑性特征及損傷的研究大致經歷了極限理論階段和過程理論階段［4］：所謂極限理論階段即采用唯象學描述方法，以宏觀試驗為基礎，重點關心的是循環(huán)荷載作用下巖石破壞時一點的應力、應變狀態(tài)與外界因素之間的關系；所謂過程理論階段是以整個循環(huán)加載過程中各點狀態(tài)為研究對象，從其損傷破壞的演變和發(fā)展，損傷破壞機理，損傷裂紋的發(fā)生和擴展這些更為本質的方面去探討循環(huán)荷載作用下巖石類材料的破壞問題，進而提出相關的損傷與斷裂理論。　　以上研究成果表明，巖石在周期性循環(huán)荷載作用下的強度和變形規(guī)律與常規(guī)試驗條件下的強度和變形規(guī)律有顯著的不同，強度方面表現出劣化性，破壞強度低于常規(guī)峰值試驗強度；在變形方面則表現為記憶性，破壞點的位置受到常規(guī)應力-應變全過程曲線的控制［4，47］。但是，需要注意的是，以上所述“非線性彈塑性特征”　　大多僅研究了巖石在周期循環(huán)荷載過程中的塑性滯回特性，并未深入涉及廣義的非線性科學理論范疇，而應用非線性理論對周期性循環(huán)荷載下巖石的變形與損傷規(guī)律進行研究則是本書的主要研究內容之一?！　?.2.3　基于聲發(fā)射及CT 的巖石損傷檢測研究進展　　巖石損傷的檢測方法有光學顯微鏡法、掃描電子顯微鏡法（SEM）、聲波探測法、紅外輻射探測法、聲發(fā)射法、CT方法以及傳統(tǒng)的力學性能測試法等。例如，許江等［48］采用帶有加載裝置的光學顯微鏡進行了砂巖在不同加載階段的損傷裂紋分析。趙永紅等［49］對含預制缺陷的大理巖平板施加單軸壓縮，在掃描電子顯微鏡下即時觀察并記錄了試件表面微破裂的發(fā)育及演化過程。中國礦業(yè)大學巖石混凝土破壞力學重點實驗室以及清華大學先后與日本島津制作社合作研發(fā)了SEM加載試驗系統(tǒng)，可在各種溫度、各種荷載下實時觀測試樣表面的損傷演化情況，即邊加載邊觀測。通過這些研究，可以捕捉到巖石在損傷演化過程中表面細觀結構的變化，有助于對巖石損傷機理的分析［6］。蒲傳金等［50］通過測試爆破前后的聲波速度變化情況，研究了5種不耦合裝藥結構爆破對孔壁巖石的損傷情況，并得出了一些有益的規(guī)律，可為邊坡開挖、隧道掘進和石材切割爆破等提供參考。Luong等［51］進行了巖石破裂過程中的紅外輻射現象的觀測研究，并把內部損傷所引起的熱能作為研究的參數，從作用過程的力-熱耦合出發(fā)，分析了損傷過程和破壞機理。　　……

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