周期荷載作用下巖石非線性變形與損傷特性

內(nèi)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(yàn)手段為依據(jù)，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究了單調(diào)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(xì)觀損傷演化規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用非線性理論進(jìn)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(zhì)、采礦、巖土工程及相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員、研究生和高年級(jí)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(jìn)展1.2.1 巖石損傷力學(xué)研究進(jìn)展簡(jiǎn)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(jìn)展1.2.3 基于聲發(fā)射及CT的巖石損傷檢測(cè)研究進(jìn)展1.2.4 非線性科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展1.3 本書主要內(nèi)容第2章 周期荷載作用下巖石的宏觀變形特性2.1 試驗(yàn)概述2.1.1 加載設(shè)備2.1.2 巖樣制備2.1.3 巖樣SEM圖像及基本物理性質(zhì)2.2 單調(diào)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(yàn)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(diào)加載條件下巖石的聲發(fā)射特性3.2.1 聲發(fā)射參數(shù)3.2.2 不同條件下單調(diào)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(yīng)3.3.4 巖石破壞過程中卸載時(shí)的AE活動(dòng)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(yàn)概述3.4.2 定位試驗(yàn)結(jié)果第4章 巖石變形破壞過程的細(xì)觀損傷演化分析4.1 試驗(yàn)概述4.1.1 試驗(yàn)設(shè)備與巖樣參數(shù)4.1.2 CT掃描數(shù)據(jù)與試樣密度關(guān)系4.2 單調(diào)加載變形破壞的CT細(xì)觀試驗(yàn)4.2.1 CT數(shù)據(jù)分析4.2.2 力學(xué)關(guān)系4.3 循環(huán)荷載作用下巖石變形破壞過程CT實(shí)時(shí)掃描4.3.1 加、卸載路徑及CT掃描點(diǎn)選擇4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果4.4 循環(huán)荷載作用下巖石CT細(xì)觀損傷演化分析4.4.1 CT圖像分析4.4.2 試驗(yàn)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(jié)構(gòu)理論對(duì)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(jié)構(gòu)的形成機(jī)制5.1.2 用耗散結(jié)構(gòu)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(yàn)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(gòu)5.3.3 巖石損傷破壞過程中AE序列關(guān)聯(lián)維數(shù)演化分析5.3.4 聲發(fā)射時(shí)間序列的混沌特征5.4 采動(dòng)影響下采場(chǎng)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(zhì)邊坡位移的非線性分析……第6章 結(jié)論參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 背景及意義　　巖石在單調(diào)加載條件下的力學(xué)特征已為多數(shù)人所認(rèn)識(shí)，而在復(fù)雜加載路徑與受荷歷史情況下的力學(xué)機(jī)制方面的研究卻相對(duì)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(jiǎn)單的力學(xué)現(xiàn)象之一。巖石在周期荷載作用下的疲勞現(xiàn)象很少引人注意，但這一現(xiàn)象對(duì)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(yùn)營(yíng)階段，經(jīng)常會(huì)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(zāi)害的例子不少，如廣為熟知的意大利Vajont水庫(kù)巖坡滑動(dòng)、法國(guó)Malpasset拱壩壩基位移導(dǎo)致整個(gè)拱壩坍塌、中國(guó)梅山連拱壩壩基（花崗巖）滑動(dòng)等災(zāi)害的形成都涉及了巖體在周期性荷載作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題［2～4］。此外，三峽水庫(kù)蓄水以來，三峽地區(qū)微震活動(dòng)頻度明顯增加，庫(kù)區(qū)大小地震上千次，崩塌滑坡4000多處。微震活動(dòng)主要集中在巫山―秭歸―長(zhǎng)陽一帶，強(qiáng)度雖未突破正常狀態(tài)，但地震周期性作用造成的庫(kù)岸松散堆積物、塌岸和局部滑移也會(huì)危及部分居民點(diǎn)的安全，而且三峽庫(kù)區(qū)是否發(fā)生強(qiáng)震仍然是相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)需要特別關(guān)注和預(yù)防的關(guān)鍵問題。因此，開展對(duì)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(xué)與工程領(lǐng)域的專家學(xué)者所關(guān)注的前沿課題之一，同時(shí)也有助于正確認(rèn)識(shí)巖體在周期性荷載作用下的破壞機(jī)理，進(jìn)而科學(xué)地評(píng)價(jià)工程巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性［1～4］。其研究成果特別對(duì)解決諸如三峽水利樞紐工程、南水北調(diào)工程等國(guó)家能源工程及西部大開發(fā)建設(shè)中存在的包括大壩壩基、水庫(kù)及其庫(kù)岸邊坡、庫(kù)區(qū)道路和路塹邊坡、庫(kù)區(qū)港口等在反復(fù)排、蓄水過程中的長(zhǎng)期變形和穩(wěn)定性以及巖體在頻繁發(fā)生的不可預(yù)料的地震荷載作用下的響應(yīng)等在內(nèi)的問題具有重要的科學(xué)意義和廣泛的推廣應(yīng)用前景?！　”娝苤?，巖石（體）是賦存于自然界中的十分復(fù)雜的介質(zhì)，它是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)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(jīng)歷了不同的地質(zhì)作用，包括地應(yīng)力變化、各種風(fēng)化作用以及人類各種營(yíng)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(jié)構(gòu)特征都各有差異，從而使巖石呈現(xiàn)明顯的非線性、不連續(xù)性、不均質(zhì)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(xué)屬性有很大的復(fù)雜性，全面認(rèn)識(shí)它們的力學(xué)屬性有很大難度。走出這一困境的一條有效途徑是運(yùn)用非線性理論來研究復(fù)雜的巖石（體），將巖石（體）或巖石工程看做一個(gè)由多因子、多層次組合而成的，具有很強(qiáng)不確定性和隨機(jī)性的復(fù)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?qū)r石力學(xué)系統(tǒng)所表現(xiàn)出的非線性特征進(jìn)行分析。所以，巖石力學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一就是在傳統(tǒng)研究方法的基礎(chǔ)上綜合利用非線性科學(xué)相關(guān)理論，正確、深入地認(rèn)識(shí)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(dòng)、靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)?！　〕藥r石介質(zhì)的復(fù)雜性以外，我們更應(yīng)該看到，巖石（體）在自然界或?qū)嶋H工程中具有復(fù)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(fù)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(jiǎn)單的力學(xué)現(xiàn)象，并且與巖石的單調(diào)荷載方式密切相關(guān)，因此，周期荷載的疲勞問題研究可以作為復(fù)雜受載路徑與受載歷史下巖石力學(xué)研究的“重要突破口” 。疲勞是指材料或結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載的反復(fù)作用下性能逐漸劣化直至失穩(wěn)破壞的過程。土木工程領(lǐng)域?qū)ζ趩栴}的研究始于20世紀(jì)20年代，主要包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、土體和巖石幾個(gè)方面，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、混凝土的疲勞研究較多，而隨著大規(guī)模交通建設(shè)，高速公路、飛機(jī)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(lǐng)域疲勞問題的研究國(guó)內(nèi)外開展很少，一方面由于大家對(duì)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］。　　本書研究?jī)?nèi)容是為了深入認(rèn)識(shí)巖石在單調(diào)及周期性循環(huán)荷載條件下的變形、損傷規(guī)律與破壞機(jī)制，為解決公路、鐵路基礎(chǔ)及其路塹邊坡、隧道、大壩壩基、露天采礦邊坡平臺(tái)、礦山周期性頂板來壓、巖石的鉆進(jìn)和巖體的抗震等工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)面臨頻繁地震活動(dòng)以及周期蓄、排水而帶來的重大工程實(shí)際和理論問題而提出。國(guó)內(nèi)外在有關(guān)巖石宏、細(xì)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(yīng)特征點(diǎn)的系統(tǒng)性的周期荷載試驗(yàn)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(guān)巖石的多級(jí)疲勞損傷與破壞的CT細(xì)觀研究方面的報(bào)道。因此，結(jié)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(dǎo)意義，也具有較高的理論研究?jī)r(jià)值?！　?.2 研究進(jìn)展　　本書以試驗(yàn)手段為依據(jù)，采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究?jī)?nèi)容涉及單調(diào)及周期荷載下巖石的變形與損傷檢測(cè)及其非線性特征等諸多方面，由于巖石在單調(diào)加載條件下的力學(xué)試驗(yàn)是巖石力學(xué)常規(guī)試驗(yàn)，不再贅述，其研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在試驗(yàn)手段的更新上（如CT方法、聲發(fā)射法等），故結(jié)合具體檢測(cè)方法予以探討?！　”緯鴮⒑?jiǎn)要介紹巖石的損傷力學(xué)基礎(chǔ)及研究進(jìn)展，重點(diǎn)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(xì)觀試驗(yàn)的巖石損傷破壞以及非線性科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展。參考文獻(xiàn)主要以近10年文獻(xiàn)為主，重點(diǎn)是近5年來的文獻(xiàn)，兼顧10年前有影響的研究成果。　　1.2.1 巖石損傷力學(xué)研究進(jìn)展簡(jiǎn)介　　巖石可視為一種非均質(zhì)的多相復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且存在大量的天然缺陷，且這些缺陷的分布完全是隨機(jī)的。巖石在受到外界力作用以后，彌散在巖石內(nèi)部的微缺陷不斷變化，在部分區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)貫通，進(jìn)而形成宏觀裂縫導(dǎo)致巖石失穩(wěn)破壞。巖石的破壞過程是非常復(fù)雜的，如果只是單純地用經(jīng)典彈塑性力學(xué)或斷裂力學(xué)的方法來描述，將難以獲得理想的結(jié)果，因此，有必要將損傷理論引入到對(duì)巖石的研究中。　　巖石的損傷過程可以看做是連續(xù)的，并且在很小的應(yīng)力、應(yīng)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(xué)著重考察的是損傷對(duì)材料宏觀力學(xué)性質(zhì)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(diǎn)-終點(diǎn)式的研究方式截然不同，損傷力學(xué)的研究方法使得對(duì)巖石力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)更加深刻和全面［6］?！　￡P(guān)于巖石類材料損傷力學(xué)的研究，文獻(xiàn)［7］～［9］中已經(jīng)進(jìn)行過總結(jié)，文獻(xiàn)［9］側(cè)重于巖石損傷力學(xué)的起源、經(jīng)典理論以及當(dāng)時(shí)的研究成果，而文獻(xiàn)［7］則更多關(guān)注巖石斷裂及損傷力學(xué)的最新成果、研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展現(xiàn)狀。一般認(rèn)為，巖石損傷力學(xué)模型的研究方法從其立足點(diǎn)和研究尺寸大致分為微觀的、細(xì)觀的和宏觀的三類?！　∥⒂^模型是在分子、原子層次上研究材料的物理過程以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)損傷的影響，然后用經(jīng)典或用量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法來推測(cè)其宏觀力學(xué)效應(yīng)。微觀的方法因理論不夠完善，且統(tǒng)計(jì)量太大，使之僅能定性而有限度地預(yù)測(cè)某些損傷現(xiàn)象［9］，而且由于微觀涉及的尺度較小，目前的試驗(yàn)手段還滿足不了。因此到目前為止，對(duì)巖石等脆性材料的損傷理論研究主要集中在宏觀和細(xì)觀兩個(gè)尺度范圍內(nèi)［10］?！　『暧^損傷模型即通常所說的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（CDM），基于宏觀尺度上的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與不可逆熱力學(xué)理論，把包含各種缺陷的材料看成是一種有“微損傷場(chǎng)”的連續(xù)體，引進(jìn)了在物體內(nèi)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(xué)、熱力學(xué)基本公設(shè)和定理的條件下，唯象地確定損傷體的本構(gòu)方程和損傷演化規(guī)律。Krajcinovic［11］運(yùn)用熱力學(xué)等理論對(duì)巖石類脆性材料的本構(gòu)方程進(jìn)行了較為全面的研究。Ortiz［12］提出了建立在微裂紋損傷基礎(chǔ)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(chǔ)上的連續(xù)損傷模型，其等效宏觀損傷標(biāo)準(zhǔn)表征微裂紋的擴(kuò)展。Marigo、Lemaitre、Murakami、Shen、邵建富等也提出了不同的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)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。　　細(xì)觀模型，略去了某些損傷的物理過程細(xì)節(jié)，從顆粒、晶體、孔洞等細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次研究各類損傷的形態(tài)、分布及其演化特征，從而預(yù)測(cè)物體的宏觀力學(xué)特征。細(xì)觀損傷力學(xué)的一方面主要是研究細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)與力學(xué)之間的定量聯(lián)系。較多的是以數(shù)值方法或者分析方法去分析一個(gè)確定的體積V，確定體積內(nèi)含有一個(gè)或幾個(gè)孔洞或者裂紋，然后假設(shè)損傷材料是由這樣的確定體積堆筑而成［8］。Gurson［17］假設(shè)基體為剛塑性體，對(duì)確定體積中有孔洞情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究?！　emat-Nasser等［18，19］假設(shè)基質(zhì)為各向同性彈性體對(duì)確定體積中有裂紋情況采用分析方法進(jìn)行了研究建模。Tu等［20，21］對(duì)脆彈性體裂紋處于各向異性的情況進(jìn)行了研究建模?！　〖?xì)觀損傷力學(xué)的另一個(gè)方面主要是研究細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)的演化和發(fā)展，其中比較熱門的是用統(tǒng)計(jì)物理數(shù)學(xué)理論研究細(xì)觀損傷的演化和發(fā)展，俗稱統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷力學(xué)［8］。嚴(yán)格說來，用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行巖石類材料的損傷研究是把微觀、細(xì)觀和宏觀結(jié)合起來的一種方法，統(tǒng)計(jì)損傷方法的最大優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)潔、計(jì)算量小、模型參數(shù)易于取得。所以，巖石統(tǒng)計(jì)損傷模型在最近10年中得到大量關(guān)注［7］，三種統(tǒng)計(jì)模型得到發(fā)展：基于連續(xù)損傷力學(xué)統(tǒng)計(jì)模型［22］、微元統(tǒng)計(jì)模型［23］和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)模型［24］。同時(shí)，巖石統(tǒng)計(jì)損傷理論在工程中也得到很好應(yīng)用［25，26］，而基于巖石統(tǒng)計(jì)損傷理論的有限元軟件RFPA則被越來越多的人所認(rèn)識(shí)和使用?！　】傊?，在巖石損傷理論和應(yīng)用研究中，微觀、細(xì)觀、宏觀理論均得到發(fā)展，但微觀理論的應(yīng)用受到限制，而細(xì)觀和宏觀損傷模型理論和應(yīng)用的發(fā)展則更深入一些?！　∮捎趲r石材料力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，目前還沒有哪種損傷本構(gòu)模型能夠精確地對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，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(duì)客觀實(shí)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(fù)雜，參數(shù)越來越多，而工程應(yīng)用中則更多注重參數(shù)較少、計(jì)算簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便。此外，由于巖石損傷過程的復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的宏觀描述往往比較困難，不得不借助統(tǒng)計(jì)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(jìn)展　　對(duì)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(xiàn)在對(duì)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(yàn)方法，其研究對(duì)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(jī)等［27～30］。而對(duì)巖石材料，其相關(guān)方面的研究成果卻相對(duì)較少，Grover、Dehlinger和McClure最早開展了巖石的疲勞試驗(yàn)，Burdin、Hardy和Chrdin、Hardy和Chugh、Hainmson和Kin、Attewell和Farmer、Cain和Peng均對(duì)巖石的疲勞問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究［1］。　　近年來，葛修潤(rùn)、蔣宇等［3，4］對(duì)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(gè)階段，提出以變形來度量巖體的強(qiáng)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(yīng)力門檻值有關(guān)，并認(rèn)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(zhuǎn)移試驗(yàn)，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(zhì)與許多細(xì)觀的滯回彈性單元聯(lián)系起來，基于滯后細(xì)觀特性彈性單元的假設(shè)，討論了準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)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(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，這些細(xì)觀彈性單元控制了準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)方程和彈性波的響應(yīng)。Holcomb［33］對(duì)輝綠巖和花崗巖進(jìn)行了循環(huán)差應(yīng)力試驗(yàn)，當(dāng)差應(yīng)力大于或等于破壞強(qiáng)度的85%時(shí)，體積膨脹，這是非彈性行為的表現(xiàn)，在某些方面，它們又顯示更典型的準(zhǔn)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(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)飽和沉積巖的頻率和應(yīng)變振幅效應(yīng)進(jìn)行了研究，在經(jīng)過4種不同飽和溶液浸泡過的Berea砂巖中均觀測(cè)到應(yīng)力-軸向應(yīng)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(jī)制，即衰減的黏滑滑動(dòng)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(duì)σ-ε曲線滯后有一個(gè)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(yīng)力作用下大理巖、砂巖的衰減、彈性（楊氏）模量、泊松比的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。席道瑛等［36］在頻率為0.05～4Hz時(shí)，對(duì)干燥、飽水、飽泵油和泵油加瀝青4種類型的砂巖、大理巖進(jìn)行了垂直層理和平行層理兩個(gè)方向的正弦波加載試驗(yàn)，研究了飽和砂巖的各向異性和非線性黏彈性行為。陳運(yùn)平等［37，38］通過對(duì)飽和砂巖和大理巖的循環(huán)荷載試驗(yàn)，分析了飽和巖石在循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線、瞬時(shí)泊松比的“X”形變化曲線，以及彈性模量隨應(yīng)變振幅的增加而減少等滯后現(xiàn)象，探討了飽和巖石在循環(huán)荷載下的滯后和衰減現(xiàn)象的微觀機(jī)理，并研究了不同孔隙流體和不同性質(zhì)的巖石在循環(huán)荷載試驗(yàn)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的細(xì)微差異。Bagde等［39］利用MTS816巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)靜、動(dòng)態(tài)循環(huán)單軸荷載作用對(duì)砂巖力學(xué)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(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同加載速率、不同含水狀態(tài)、不同應(yīng)力水平等不同試驗(yàn)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(jù)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(kuò)展的數(shù)值計(jì)算方法；建立了擴(kuò)展階段中裂紋尺寸與荷載循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，從而將裂紋萌生與擴(kuò)展這兩個(gè)獨(dú)立過程納入一個(gè)統(tǒng)一的理論體系。樊秀峰等［43］對(duì)砂巖在循環(huán)荷載作用下的疲勞損傷特性進(jìn)行實(shí)時(shí)超聲波速的跟蹤研究，研究結(jié)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(shù)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(gè)階段。王德玲等［44］認(rèn)為塑性應(yīng)變的累積是低周疲勞破壞的主要原因，并在巖石疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了巖石疲勞擾動(dòng)模型。此外，Zhang等［45］、Kowalski［46］也對(duì)巖石的疲勞問題進(jìn)行了研究?！　‰S著大量工程實(shí)踐和理論研究的深入，關(guān)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(jīng)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(xué)描述方法，以宏觀試驗(yàn)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)關(guān)心的是循環(huán)荷載作用下巖石破壞時(shí)一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與外界因素之間的關(guān)系；所謂過程理論階段是以整個(gè)循環(huán)加載過程中各點(diǎn)狀態(tài)為研究對(duì)象，從其損傷破壞的演變和發(fā)展，損傷破壞機(jī)理，損傷裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展這些更為本質(zhì)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(jìn)而提出相關(guān)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(qiáng)度和變形規(guī)律與常規(guī)試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度和變形規(guī)律有顯著的不同，強(qiáng)度方面表現(xiàn)出劣化性，破壞強(qiáng)度低于常規(guī)峰值試驗(yàn)強(qiáng)度；在變形方面則表現(xiàn)為記憶性，破壞點(diǎn)的位置受到常規(guī)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^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(xué)理論范疇，而應(yīng)用非線性理論對(duì)周期性循環(huán)荷載下巖石的變形與損傷規(guī)律進(jìn)行研究則是本書的主要研究?jī)?nèi)容之一?！　?.2.3　基于聲發(fā)射及CT 的巖石損傷檢測(cè)研究進(jìn)展　　巖石損傷的檢測(cè)方法有光學(xué)顯微鏡法、掃描電子顯微鏡法（SEM）、聲波探測(cè)法、紅外輻射探測(cè)法、聲發(fā)射法、CT方法以及傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試法等。例如，許江等［48］采用帶有加載裝置的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了砂巖在不同加載階段的損傷裂紋分析。趙永紅等［49］對(duì)含預(yù)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(shí)觀察并記錄了試件表面微破裂的發(fā)育及演化過程。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)巖石混凝土破壞力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及清華大學(xué)先后與日本島津制作社合作研發(fā)了SEM加載試驗(yàn)系統(tǒng)，可在各種溫度、各種荷載下實(shí)時(shí)觀測(cè)試樣表面的損傷演化情況，即邊加載邊觀測(cè)。通過這些研究，可以捕捉到巖石在損傷演化過程中表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，有助于對(duì)巖石損傷機(jī)理的分析［6］。蒲傳金等［50］通過測(cè)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(jié)構(gòu)爆破對(duì)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(jìn)和石材切割爆破等提供參考。Luong等［51］進(jìn)行了巖石破裂過程中的紅外輻射現(xiàn)象的觀測(cè)研究，并把內(nèi)部損傷所引起的熱能作為研究的參數(shù)，從作用過程的力-熱耦合出發(fā)，分析了損傷過程和破壞機(jī)理?！　　?/pre>








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