工程中的岩体不仅仅承受着静态荷载的作用,还经受着爆炸、冲击、地震等动态荷载的影响。因此,研究循环荷载作用下岩石的疲劳特性,提出稳定性分析方法和控制手段是工程中迫切需要解决的问题。特别是近年来,由于大规模水利工程的建设,城市地下交通的普及,大跨度超长隧道的开挖,以及深部矿藏的开采,许多前所未有的动力学难题摆在了我们的面前。如何优化隧道、巷道、边坡、水坝、基岩等结构的抗震性能,保障工程安全以及人类的生命安全,这些都是科研工作者的历史使命,也是我们抓住机遇,施展才能的大好平台。本文围绕着结构疲劳分析的基本框架,着重从理论研究和实验分析两大方面进行了一系列开创性的研究,同时给出了工程应用的框架雏形,具体包括以下几个方面的内容:(1)针对于三峰谷雨流计数模型的不足之处,提出了改进方案。改进后的三峰谷计数模型融等值点压缩、峰谷检测以及循环计数为一体,极大地简化了计数过程。运用改进三峰谷计数模型,对现场采集的爆破振动应力谱进行了循环计数,统计结果表明,单次爆破中小幅疲劳循环占绝大部分,而且拉压循环所占的比例比较大。(2)根据岩石损伤演化具有三阶段发展规律的这一特点,提出了倒S非线性疲劳累积损伤模型。探讨了倒S模型中参数的物理含义以及对倒S曲线的影响,给出了参数的建议取值范围。运用倒S模型,演示了岩石三级加载时累积损伤的计算,首次提出了疲劳路径的概念,从理论上解释了“锻炼”效应产生的根本原因。由于倒S模型考虑了疲劳初始损伤,考虑了加载次序对累积损伤的影响以及荷载间的相互作用,因此具有较高的精度。而且,利用疲劳路径的概念,倒S模型可以直接用于随机疲劳加载时的损伤计算和寿命估算。(3)针对倒S模型参数估计问题,提出了以有限组合法计算初始值,再应用Levenberg-Marquardt法进行倒S曲线拟合的解决方案。计算结果表明,此方案拟合得到的倒S曲线与实验数据均为高度相关,既说明了拟合算法的高效性,也说明了倒S模型的正确性。(4)分析了加载条件对岩石全应力应变曲线的影响,给出了静载强度确定的原则。从试验的角度,讨论了应力上限、应力幅值、加载波形以及加载频率对岩石疲劳强度的影响。试验结果表明,上限应力越高,应力幅值越大,加载频率越高,岩石的疲劳寿命就越短。对于加载波形的影响,试验结果表明,正弦波加载的疲劳寿命大于三角波加载的而小于矩形波加载的。(5)研究了岩石疲劳变形的特性,验证了疲劳破坏的极限变形规律。分析了轴向变形、横向变形和体积变形在疲劳加载过程中的演化规律。首次得出了以下结论:三种变形都具有三阶段演化规律,三阶段的划分基本一致,横向变形和体积变形的增量比轴向变形的大得多。(6)依据试验结果,对比了各种损伤变量定义法的合理性,指出残余应变法由于物理意义明确,考虑了初始损伤,是一种相对比较理想的定义方法。岩石的损伤演化具有三阶段规律,而影响损伤发展的主要因素有应力水平以及初始损伤等。分析结果表明,上限应力、幅值及初始损伤越高,损伤演化曲线的第三阶段占疲劳寿命的比例越大,第二阶段所占比例相应减小,岩石的疲劳寿命也就越短。(7)将名义应力法中材料疲劳性能描述的S—N曲线以及作者提出的倒S模型,融入到局部应力应变法中,形成了一种适用于岩石材料的修正局部应力应变法。以倒S模型为基础,演示了变幅加载条件下残余寿命及总寿命的估算步骤。根据修正局部应力应变法的原理,简要介绍了随机疲劳加载条件下疲劳寿命估算的一般步骤。(8)根据疲劳分析的特点以及疲劳软件开发的需求,提出以插件式软件体系结构构建开放式疲劳分析环境的新思路。针对于插件系统运行效率的问题,提出了建立插件映射表,利用动态加载技术节省系统运行开销的解决方案。同时,为了解决插件标识中的重名现象,提出了由宿主程序动态分配ID的方案,杜绝了重名的风险,降低了系统与插件间的耦合度。