岩石疲劳与蠕变力学特性的相关性及其交互作用研究

The engineering rock mass would bear different types of loads during the project construction and operation period, and the rock mechanical characteristics associated each other under the cyclic or long-term loads. By taking uniform sandstone specimen as the research object, rock mechanics tests are carried out under the cyclic or long-term loads and their interactions. The laws of hysteresis loop shapes、rock fatigue threshold value and limit deformation are studied. The long-term deformation and strength parameters and failure mechanism of rock under complex conditions are studied. The characteristics of rock elastic after-effect and irreversible deformation are investigated. The mechanism of damage evolution for the whole process of rock failure is definite by using CT scanning and acoustic real-time detection technologies. Base on the CT three-dimension reconstruction and electron microscope tests , macro-deformation characteristics and fracture mode of rock specimens are analyzed from meso-mechanical. Introducing the damage factor to describe the damage process fatigue-creep interaction, a fatigue-creep interaction damage evolution model is proposed. According to the similarity of rock specimen deformation development three stages under cyclic and long-term loading, by taking irreversible deformation as tie, the relationship between the number of cycles and creep time is studied, a method of determining long-term strength through the fatigue tests is obtained, and the rock fatigue life prediction model is proposed. The research results could provide theoretical support for optimization design、safe construction and operation of geotechnical engineering.

工程岩体在项目施工与运营过程中会承受各种类型的外荷载，其在循环荷载与长期恒载作用下的力学特征存在着相关性。本项目以均匀的砂岩试样为研究对象，分别开展循环、恒定荷载及其交互作用下的岩石力学试验，研究岩石滞回环形态及疲劳破坏门槛值与极限变形的规律；分析不同因素对岩石长期变形、强度参数及破坏模式的影响；探讨岩石变形恢复滞后特征及不可逆变形的规律；采用声发射及CT扫描实时监测技术明确岩石变形破坏全过程的损伤演化机理；结合CT三维重构与电镜扫描技术，从细观角度分析岩石的宏观变形特征与破裂模式；考虑疲劳-蠕变交互作用的影响，定义适宜的损伤变量，建立岩石疲劳-蠕变非线性损伤演化模型；基于岩石蠕变与疲劳变形发展三阶段的相似性，以不可逆变形为纽带，研究蠕变时间与循环次数之间的相关性；探寻用疲劳试验确定蠕变长期强度的方法，建立岩石疲劳寿命预测模型。研究成果可为岩土工程的优化设计、安全施工和运行提供理论支撑。

随着我国西部大开发、南水北调、“一带一路”等重大战略计划的相继实施，将面临许多复杂的岩土工程问题。大量的边坡、地基、矿山、隧洞等工程活动都不可避免的涉及到受循环荷载作用的岩体。岩石的流变现象广泛存在于各种工程的建设和运营期间，岩体介质和应力状态的复杂性决定了岩体工程流变形式的多样性，在循环荷载作用后的蠕变效应更加显著和复杂。本项目以均匀的砂岩试样为研究对象，通过不同程度卸荷损伤砂岩循环疲劳破坏试验和不同下限应力比砂岩循环疲劳破坏试验，研究不同程度卸荷损伤、不同下限应力比和不同循环次数对砂岩的滞回环面积、动弹性模量、阻尼比、阻尼系数和动泊松比影响。研究发现：随着卸荷损伤量的增大，滞回环面积、动弹性模量、阻尼比和阻尼系数有所下降，动泊松比有所升高；随着下限应力比的变大，滞回环面积、阻尼比和阻尼系数变大，而动弹性模量和动泊松比变小；在循环加卸载前期，随着循环次数的增大，滞回环面积、阻尼比、阻尼系数和动泊松比逐渐变小，动弹性模量逐渐变大，在循环加载中期时趋于稳定，在循环加卸载后期，随着循环次数的增大，滞回环面积、阻尼系数和动弹性模量逐渐变小，阻尼比和动泊松比逐渐变小。研究了不同循环冻融损伤后砂岩单轴蠕变力学特性变化规律。试验结果表明：随着冻融循环次数增多，砂岩在相同第一级应力下瞬时应变增大，破坏应力降低，横向比轴向应变时程曲线变化幅度更大，横向应变在低应力水平下增幅不明显，高应力水平下增幅逐级变大，甚至有突变的情况；长期强度逐渐降低；Burgers模型能较好的反映不同次数冻融循环后砂岩的蠕变特性。研究了不同破坏方式、不同冻融循环损伤条件下砂岩的破坏特征变化规律。单轴压缩破坏条件下主要表现为片状式劈裂破坏；三轴压缩破坏条件下主要表现为剪切破坏，破裂面角度大约70°；卸荷破坏特征与三轴压缩破坏特征相似，主要表现为剪切破坏，但次生裂缝更多，破碎程度更高，裂缝整体呈张开状态，体积扩容明显。冻融循环损伤作用对砂岩破坏特征有较大影响。采用CT与核磁共振技术对经历不同冻融循环损伤砂岩细观特征进行研究，分析了冻融循环次数对砂岩T2谱分布、孔径、孔喉、核磁成像的影响变化规律；基于砂岩表面及单轴蠕变破裂断口SEM电镜扫描成果，研究了岩样表面损伤规律及内部缺陷与断口形貌之间的关系。研究成果可为岩土工程的优化设计、安全施工和运行提供理论支撑。