循环荷载作用下花岗岩损伤变形与能量特征分析

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岩石作为实际工程建设如隧道工程、基础工程、煤矿工程的介质材料,其力学特性为建筑物安全的基础。工程实践表明,在地下工程施工与运营阶段,岩土体会受到不同程度的循环荷载作用,如地质构造运动、地震作用、地下洞室的开挖与支护等;因此,岩石在循环荷载作用下的工程力学特性对岩土工程的长期稳定性具有重要的作用。岩石作为一种复杂的地质材料,其力学响应表现为一定的非线性与各项异性等特点;本文就针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究,首先,基于原有的损伤变形原理,对一维条件下考虑不可逆塑性变形影响的弹塑性材料损伤定义进行修正,提出了循环加卸载过程中损伤变量的计算方法;探讨了花岗岩在不同的偏应力量级下,每次循环的损伤变量随循环次数、塑性应变、应力的演化规律;同时分析了在发生疲劳破坏前、后,花岗岩的变形模量、体积应变随循环次数、轴向应变的演化规律。再者,岩石的能量主要由弹性能与耗散能两部分组成,本论文利用总能量输入与弹性能差值的计算方法得到了耗散能,同时采用“相对分析”的原理,提出了岩石在一次循环过程中能耗值的微观计算方法,计算得到了每个循环的滞回环面积即循环一次的耗散能。在基础之上,利用应力应变曲线计算得出的能耗值,分析了耗散能随循环次数、轴向应力、变形模量、塑性应变与损伤变量的演化规律。最后,针对花岗岩损伤破坏过程中损伤变形与耗散能的演化规律,从能量耗损的角度定量分析了岩石疲劳破坏门槛值,分析得到的门槛值与利用体积应变为控制量而确定的门槛值相一致;同时,不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而利用耗散能与损伤变量的变化关系提出了基于能量耗散的破坏方程。
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