巖石疲勞的研究進展

吉卓禮 徐麗海

(貴州大學 貴州 貴陽 550000)

巖石疲勞的研究進展

吉卓禮 徐麗海

(貴州大學 貴州 貴陽 550000)

隨著我國鐵路、隧道等基礎建設的大力開發(fā)，巖體工程在開發(fā)過程中的安全性越來越受到人們的重視。巖體工程在開發(fā)和使用過程中往往會受到復雜的外力擾動，但目前對于復雜外力的研究，我們的技術(shù)手段還很有限。因此，學者們一般從最簡單的復雜外力—疲勞載荷出發(fā)來研究巖石的力學性質(zhì)，以期得到對于復雜應力狀態(tài)下的啟發(fā)。本文從兩方面對巖石疲勞的研究進展進行了總結(jié)：第一，概括了巖石疲勞變形的研究進展；第二，對巖石疲勞損傷的研究進行了總結(jié)。

疲勞；變形；損傷；微細觀

隨著鐵路、隧道等基礎建設的大力開發(fā)，巖體的穩(wěn)定性與安全性越來越受到人們的重視。自然界中的巖體常處于復雜的應力狀態(tài)，由于目前研究手段的有限性，人們只能從最簡單的復雜應力—疲勞荷載出發(fā)來研究巖體的力學性質(zhì)。

相較于巖石而言，金屬的疲勞理論已經(jīng)較為完善。目前，巖石中的很多疲勞理論都是從金屬材料演化而來的。但由于巖石是自然界中成千上萬年形成的天然材料，它不像金屬材料那么均勻，即使是同一塊巖石上采集的巖樣，其力學性質(zhì)也有很大的差別。因此，金屬的許多理論應用于巖石時并沒有很好的適用性。學者們針對巖石的疲勞問題做了大量的研究，并取得了一些收獲，但在很多方面仍缺少統(tǒng)一的理論體系。筆者旨在對巖石的疲勞研究進展進行總結(jié)，并對今后的發(fā)展作一些展望。

一、巖石的疲勞變形

葛修潤院士[1]通過大量的試驗研究提出了巖石的極限變形規(guī)律，認為巖石的單軸疲勞破壞受控于單軸壓縮，即疲勞破壞的最終變形量基本等于疲勞荷載上限應力對應的單軸壓縮應力—應變曲線峰后應變值。巖石的疲勞極限變形規(guī)律說明巖石的疲勞破壞很大程度上取決于巖石的變形而非強度，從變形的角度來研究巖石的疲勞損傷可能更為合理。此外葛修潤院士還提出了巖石疲勞變形的三階段發(fā)展規(guī)律，將巖石的疲勞變形分為初始階段，等速階段和加速階段。不同的學者針對巖石的疲勞三階段變形規(guī)律，提出了不同的數(shù)學模型。李朝陽[2]在混凝土的研究中提出了三階段的線性變形規(guī)律，并給出了如下公式：

(1)

式中υ1、υ2、υ3分別為第一、二、三階段的變形速率；εA、εB分別為混凝土第一、二階段結(jié)束時的變形量；x為相對循環(huán)即x=n/N。

(2)

式中ε為因變量，n為自變量，ε0為疲勞初始應變，p為失穩(wěn)速度因子，α稱為失穩(wěn)比例因子，β為失穩(wěn)銀子，但β并不是一個獨立的參數(shù)，它依賴于p和α。

倒S模型能很好的擬合巖石的變形規(guī)律，但缺點是對于表達式中的一些參數(shù)沒有明確的物理意義。李樹春[4]根據(jù)巖石疲勞過程中的應變硬化與軟化作用規(guī)律，將疲勞變形分為四階段發(fā)展規(guī)律。目前，對于巖石疲勞變形規(guī)律的分段情況還沒有形成完全的統(tǒng)一，至于選擇哪種分段情況更能合理地描述巖石疲勞變形規(guī)律，還需我們更加深入地從微細觀層面去分析。對于疲勞變形規(guī)律的描述我們也還沒有統(tǒng)一的模型，這些都有待我們用新的觀測手段和技術(shù)去深入地研究巖石的疲勞。

二、巖石疲勞損傷

(3)

式中ni，Ni分別為對應于當前載荷水平Si的循環(huán)加載次數(shù)以及疲勞壽命。

該損傷累積模型較為簡單，在精度方面往往不是很高，且該模型沒有考慮加載順序的影響，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)對于低—高應力，D往往大于1時才破壞，而對于高—低應力來說D在小于1的情況下就會發(fā)生破壞。此后學者們發(fā)展了各種各樣的非線性疲勞累積損傷模型，如Corten—Dolan[6]、henry、尚德廣等。雖然非線性疲勞累積損傷模型在細節(jié)部位的擬合方面可能高于線性模型，但我們在計算中發(fā)現(xiàn)非線性模型的計算精確度并不比線性模型高多少。蔣宇、潘華等人認為巖石、混凝土的疲勞損傷累積與每一加載周期中不可逆的塑性變形有關(guān)。并分別建立了高周和低周疲勞損傷方程。

(4)

(5)

謝和平在此基礎上提出了三軸疲勞損傷演化規(guī)律:

(6)

我們發(fā)現(xiàn)上面這三個式子具有相同的形式，這種損傷模型相較于線性或是非線性模型精度大大提高。肖建清[3]根據(jù)巖石疲勞變形三階段規(guī)律提出了倒S損傷模型，該模型考慮了巖石的初始損傷，能很好的預測巖石的損傷發(fā)展。肖建清還首次提出了利用倒S曲線族來考慮疲勞加載順序的影響，實驗表明利用此方法能很好地預測巖石的損傷發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展，巖石損傷的研究手段逐漸豐富起來。學者們開始利用CT、聲發(fā)射、超聲波、掃描電鏡等手段來探測巖石的損傷，這些方法從不同的角度闡述了巖石受疲勞荷載時損傷的演化過程。蔣宇、葛修潤是國內(nèi)較早利用聲發(fā)射技術(shù)研究巖石疲勞特性的人。李樹春不僅利用聲發(fā)射技術(shù)研究了不同疲勞載荷條件巖石的變形特性而且還給出了基于聲發(fā)射的損傷變量表達式。李浩然研究了三軸多級荷載作用下鹽巖的聲發(fā)射特性及損傷演化規(guī)律。祝艷波利用聲發(fā)射、掃描電鏡等技術(shù)手段研究了石膏質(zhì)巖在疲勞荷載作用下的力學特性和損傷特性。李樹春利用CT掃描技術(shù)研究了重慶砂巖的細觀損傷演化情況，但由于CT專用加載機的費用較高，CT掃描技術(shù)還有很大的提升空間。

三、結(jié)論與展望

1.大多數(shù)學者認為巖石的疲勞變形符合三階段規(guī)律，并給出了不同的模型來描述三階段變形，但有少數(shù)學者認為巖石的疲勞變形是四階段而非三階段。目前，對于巖石的疲勞變形規(guī)律還沒有確切的劃分，這需要我們在后面的研究中從微細觀層面來更深入的研究。

2.對于巖石的疲勞損傷模型，不同的學者給出了不同的模型，但由于巖石是天然的離散性材料，很難有一個統(tǒng)一的模型來描述巖石的疲勞損傷，這同樣需要我們后人從更精確的微細觀層面出發(fā)，建立一個較為統(tǒng)一的疲勞損傷模型。

[1]葛修潤，蔣宇，盧允德等.周期荷載作用下巖石疲勞變形特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22(10):1581-1585.

[2]李朝陽，寧玉普，趙國藩.混凝土疲勞殘余應變性能研究[J].大連理工大學學報，2001，41(3):355-358.

[3]肖建清.循環(huán)荷載作用下巖石疲勞特性的理論與實驗研究[D].長沙:中南大學博士學位論文，2009.

[4]李樹春.周期荷載作用下巖石變形與損傷規(guī)律及其非線性特征[D].重慶:重慶大學博士學位論文，2008.

[5]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2003.

[6]吳富民.結(jié)構(gòu)疲勞強度[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，1985.

吉卓禮(1992—)，女，漢族，山西運城人，工學在讀碩士，貴州大學土木工程學院，研究方向：巖石疲勞。