巖溶地區(qū)石灰?guī)r疲勞特性試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用.pdf

1、目前，國內(nèi)外對不同載荷條件下巖石疲勞力學(xué)特性研究相對滯后，尤其缺乏對巖溶石灰?guī)r的疲勞特性和損傷演化規(guī)律的系統(tǒng)研究。鑒于巖溶鐵路隧道與溶洞（腔）間圍巖長期穩(wěn)定性分析的需要，本文依托國家自然基金項(xiàng)目，以宜昌萬州鐵路隧道石灰?guī)r為研究對象，采用文獻(xiàn)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)的研究了石灰?guī)r在靜力學(xué)范圍內(nèi)的應(yīng)變率效應(yīng);探索了不同載荷條件下石灰?guī)r疲勞力學(xué)特性;建立了考慮多因素影響的石灰?guī)r疲勞壽命預(yù)測模型和疲勞損傷演化模型

2、，并將其應(yīng)用于彈塑性數(shù)值計(jì)算中。為考慮巖石疲勞損傷的巖溶隧道圍巖長期穩(wěn)定性分析提供了重要的基礎(chǔ)資料和可借鑒的研究思路。取得的主要研究成果如下:
　　(1)在靜態(tài)加載范圍內(nèi)，石灰?guī)r具有很強(qiáng)的率敏感性。試驗(yàn)表明，石灰?guī)r破壞峰值強(qiáng)度隨加載速率的增加有明顯提高，峰值強(qiáng)度與應(yīng)變率的對數(shù)呈線性關(guān)系。而峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率增加卻有小幅減小的趨勢。分析石灰?guī)r破裂過程，發(fā)現(xiàn)提高加載應(yīng)變率對巖石裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段影響不大，對巖石裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段卻有較大影

3、響。加載應(yīng)變率越高，巖石進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段（塑性階段）就越晚，塑性段在全應(yīng)力應(yīng)變曲線中所占比例相應(yīng)減小，彈性階段比例增加，巖石的彈性特性更為明顯。
　　(2)研究了測試程序?qū)κ┟芴劐N回彈測試結(jié)果的影響，給出了一種擾動較小且測量準(zhǔn)確的施密特錘測試程序。在對比研究了超聲、回彈和超聲回彈綜合法三種無損方法估算單軸壓縮強(qiáng)度方法的預(yù)測精度的基礎(chǔ)上，建立了一套估算標(biāo)準(zhǔn)試樣單軸強(qiáng)度的無損方法。由測試數(shù)據(jù)建立了雙參數(shù)指數(shù)型石灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)試樣單軸壓縮強(qiáng)度

4、估算模型。
　　(3)利用宜萬鐵路石灰?guī)r開展了各種加載條件下的疲勞力學(xué)試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn):隨著上限應(yīng)力水平的降低，石灰?guī)r疲勞壽命在半對數(shù)坐標(biāo)下呈線性增長的趨勢;應(yīng)力幅值對疲勞壽命起著關(guān)鍵作用，應(yīng)力幅值越大巖石的疲勞壽命越短;巖石疲勞“門檻值”不僅與巖石類型密切相關(guān)，而且隨著加載速率的增加而提高;在0.5～3Hz加載范圍內(nèi)，石灰?guī)r疲勞壽命隨加載頻率的增加而增加，疲勞壽命與加載頻率滿足雙對數(shù)坐標(biāo)下的線性關(guān)系。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了基于S-N曲線

5、的疲勞壽命估算模型、同時(shí)考慮上限應(yīng)力和應(yīng)力幅值影響的石灰?guī)r疲勞壽命估算模型以及基于加載頻率和上限應(yīng)力的多因素疲勞壽命估算模型。
　　(4)石灰?guī)r疲勞變形經(jīng)歷初始變形階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和加速階段三個不同階段。對比疲勞極限變形和靜力全曲線控制變形，發(fā)現(xiàn)兩者之間十分接近;在0.5～3Hz范圍內(nèi)，改變加載頻率對石灰?guī)r疲勞破壞時(shí)軸向極限變形幾乎無影響;說明“巖石疲勞破壞時(shí)的極限變形規(guī)律”不受加載頻率的影響。依據(jù)石灰?guī)r疲勞變形發(fā)展規(guī)律，提出了

6、基于平均應(yīng)變增量的疲勞壽命計(jì)算模型。確定該模型計(jì)算參數(shù)僅需要開展有限次數(shù)的循環(huán)壓縮試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，從而極大的縮減了試驗(yàn)投入。
　　(5)探討了巖石的非線性變形滯后效應(yīng)并分析了其形成原因。總結(jié)了循環(huán)加卸載變形曲線中常見的五種回滯環(huán)形態(tài)，并就各種形態(tài)的成因開展了討論。
　　(6)利用單軸靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、循環(huán)動力試驗(yàn)和超聲測試三種試驗(yàn)手段，對比研究了石灰?guī)r靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)彈性模量之間的關(guān)系。
　　(7)疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，