巖溶地區(qū)石灰?guī)r疲勞特性試驗研究及工程應用.pdf

1、目前，國內(nèi)外對不同載荷條件下巖石疲勞力學特性研究相對滯后，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目，以宜昌萬州鐵路隧道石灰?guī)r為研究對象，采用文獻調(diào)查、室內(nèi)試驗、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在靜力學范圍內(nèi)的應變率效應;探索了不同載荷條件下石灰?guī)r疲勞力學特性;建立了考慮多因素影響的石灰?guī)r疲勞壽命預測模型和疲勞損傷演化模型

2、，并將其應用于彈塑性數(shù)值計算中。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具有很強的率敏感性。試驗表明，石灰?guī)r破壞峰值強度隨加載速率的增加有明顯提高，峰值強度與應變率的對數(shù)呈線性關(guān)系。而峰值應變隨應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)提高加載應變率對巖石裂紋不穩(wěn)定擴展階段影響不大，對巖石裂紋穩(wěn)定擴展階段卻有較大影

3、響。加載應變率越高，巖石進入裂紋擴展階段（塑性階段）就越晚，塑性段在全應力應變曲線中所占比例相應減小，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度方法的預測精度的基礎(chǔ)上，建立了一套估算標準試樣單軸強度的無損方法。由測試數(shù)據(jù)建立了雙參數(shù)指數(shù)型石灰?guī)r標準試樣單軸壓縮強度

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試驗。發(fā)現(xiàn):隨著上限應力水平的降低，石灰?guī)r疲勞壽命在半對數(shù)坐標下呈線性增長的趨勢;應力幅值對疲勞壽命起著關(guān)鍵作用，應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)坐標下的線性關(guān)系。在試驗基礎(chǔ)上，建立了基于S-N曲線

5、的疲勞壽命估算模型、同時考慮上限應力和應力幅值影響的石灰?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疲勞破壞時軸向極限變形幾乎無影響;說明“巖石疲勞破壞時的極限變形規(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、基于平均應變增量的疲勞壽命計算模型。確定該模型計算參數(shù)僅需要開展有限次數(shù)的循環(huán)壓縮試驗和單軸壓縮試驗，從而極大的縮減了試驗投入。
　　(5)探討了巖石的非線性變形滯后效應并分析了其形成原因?？偨Y(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、循環(huán)動力試驗和超聲測試三種試驗手段，對比研究了石灰?guī)r靜態(tài)、準動態(tài)和動態(tài)彈性模量之間的關(guān)系。
　　(7)疲勞試驗結(jié)果表明，