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    循環(huán)荷載作用下斜長花崗巖彈性模量演化規(guī)律*

    2016-12-19 02:40:36趙其華何云松
    工程地質(zhì)學(xué)報 2016年5期
    關(guān)鍵詞:切線模量巖石

    胡 廣 趙其華 何云松 韓 剛

    HU Guang ZHAO Qihua HE Yunsong HAN Gang

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    循環(huán)荷載作用下斜長花崗巖彈性模量演化規(guī)律*

    胡 廣 趙其華 何云松 韓 剛

    通過MTS815巖石力學(xué)試驗機開展斜長花崗巖循環(huán)荷載試驗,揭示循環(huán)次數(shù)、圍壓、含水率對斜長花崗巖彈性模量變化規(guī)律的影響,分析飽和與天然試樣應(yīng)力功、彈性應(yīng)變能、耗散能隨循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律。根據(jù)能量演化規(guī)律將巖石壓縮變形破壞過程劃分為4個階段,研究各階段切線模量與耗散能之間的關(guān)系。試驗結(jié)果表明:(1)同一個應(yīng)力水平切線模量隨循環(huán)次數(shù)呈先增大后降低的趨勢,其降低幅度隨循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力水平增加而增大。(2)圍壓抑制了裂紋擴展,隨圍壓增加切線模量弱化幅度減小。(3)飽和試樣比天然試樣切線模量弱化幅度大,說明水的存在加劇飽和試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。(4)耗散能增加是引起切線模量弱化的內(nèi)在因素,兩者的變化規(guī)律呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性。

    循環(huán)荷載 斜長花崗巖 彈性模量 能量

    HU Guang ZHAO Qihua HE Yunsong HAN Gang

    0 引 言

    在實際建設(shè)工程中,諸如邊坡開挖、水位變動、道路交通、井下煤巖巷道等,巖土體經(jīng)常會遇到循環(huán)荷載作用的情況。在循環(huán)荷載作用下,巖土體的力學(xué)特性與常規(guī)荷載作用有顯著不同,因此有必要開展循環(huán)荷載條件下巖土體力學(xué)特性研究。

    在過去的幾十年里,巖石在循環(huán)荷載條件下的力學(xué)特性已被廣泛研究。有學(xué)者認為循環(huán)荷載條件下巖石的膨脹包括巖石的蠕變與額外的損傷過程,提出引起膨脹的3種裂紋類型:應(yīng)力驅(qū)使裂紋、應(yīng)力衰減裂紋、疲勞裂紋(Scholz et al.,1979)。在巖石疲勞損傷方面,部分學(xué)者提出將巖石在循環(huán)荷載作用下的不可逆變形劃分為3個階段,即初始變形階段、等速變形階段和加速變形階段。認為巖石疲勞壽命的主要影響因素是周期荷載的上限應(yīng)力和幅值,并提出以變形來衡量巖石的破壞和強度(葛修潤等, 1992, 2003)。在巖石變形破壞過程中,不可逆變形總是隨著循環(huán)次數(shù)不斷增加,但在不同的應(yīng)力水平下,不可逆變形量的發(fā)展趨勢有很大的差別。有學(xué)者認為其中存在一個“門檻”值(葛修潤, 1987),該值前后的不可逆變形量迥然不同,研究確定了疲勞門檻值為靜態(tài)全過程體積變形的最小點,發(fā)現(xiàn)該點特征應(yīng)力值略低于常規(guī)三軸試驗中所謂的“屈服值”。部分學(xué)者從巖石宏觀不可逆變形出發(fā),提出將橫向變形劃分為兩階段(蔣宇等, 2004)。有學(xué)者通過研究了循環(huán)荷載作用下巖石疲勞力學(xué)性質(zhì),提出了基于內(nèi)變量理論的巖石疲勞本構(gòu)模型,較好地反映出巖石疲勞力學(xué)性質(zhì)(王者超等, 2012)。

    在循環(huán)荷載作用下巖石微觀破壞方面也取得了很多重要的研究成果。部分學(xué)者利用掃描電鏡(SEM)獲取大量花崗巖細觀微結(jié)構(gòu)信息,從礦物晶體和微損傷形式兩個角度定量分析了循環(huán)荷載作用過程中巖石的細觀損傷特征(倪驍慧等, 2011a,2011b)。此外,研究了不同循環(huán)荷載頻率作用下花崗巖細觀疲勞損傷特征,以及不同循環(huán)荷載頻率作用下細觀尺度微裂紋擴展規(guī)律(倪驍慧等, 2011a,2011b, 2012)。

    巖石變形破壞的根本原因是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,部分學(xué)者對循環(huán)荷載條件下巖石結(jié)構(gòu)損傷和裂紋擴展規(guī)律進行了研究。有學(xué)者基于巖石CT細觀試驗,證實了巖石疲勞破壞存在門檻值,研究了循環(huán)荷載最大應(yīng)力值的變化對巖石疲勞破壞的影響機理,得到了巖石細觀疲勞損傷擴展的初步規(guī)律(葛修潤等, 2001)。有學(xué)者開展了類玄武巖預(yù)制裂紋巖橋貫通模式研究(韓剛等, 2016),將裂紋擴展-巖橋貫通過程劃分為翼裂紋起裂、翼裂紋擴展和次生裂紋起裂及擴展、巖橋貫通3個階段。

    由于巖石材料不同,其力學(xué)特征也有顯著的差別,部分學(xué)者開展了循環(huán)荷載條件下飽水砂巖排水變形試驗研究,揭示應(yīng)力幅度、平均應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)對累積不可逆變形的影響(Wichtmanni et al.,2007)。有的對煤巖在循環(huán)荷載作用下的強度、變形及疲勞損傷過程進行了研究,煤巖更容易發(fā)生疲勞破壞(楊永杰等, 2007)。部分學(xué)者開展了循環(huán)荷載條件下土石混合體力學(xué)特性研究,揭示了土石混合物的力學(xué)機理以及基本規(guī)律(徐文杰等, 2008)。在對巖鹽的研究中,揭示了循環(huán)次數(shù)、循環(huán)頻率對巖鹽的抗壓強度、彈性特征以及時效特征有重要的影響,認為基于循環(huán)荷載試驗獲取的特征參數(shù)相對傳統(tǒng)試驗更為合理(Fuenkajorn et al.,2010)。

    彈性模量是巖石重要的力學(xué)性質(zhì)之一,反應(yīng)巖石抵抗變形的能力,也是巖土工程建設(shè)中重要的設(shè)計參數(shù)。眾多學(xué)者對彈性模量進行了研究,有的研究了彈性模量對巖石抗壓強度的影響(Palchik, 1999),有的通過研究巖石的結(jié)構(gòu)系數(shù)預(yù)測巖石的彈性模量(Alber et al.,2009),有的基于遺傳算法程序預(yù)測巖石的彈性模量(Beikin et al.,2013)。但目前尚未對循環(huán)荷載條件下的彈性模量演化規(guī)律與影響因素進行系統(tǒng)的研究。巖石經(jīng)歷多次循環(huán)荷載作用必然引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,通過研究彈性模量變化趨勢揭示巖石變形破壞過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。本文針對循環(huán)荷載作用下斜長花崗巖彈性模量的演化規(guī)律與影響因素進行研究。

    1 實驗裝置與方法

    本次實驗采用的是金沙江上游某水電站壩區(qū)邊坡的斜長花崗巖,按照《水利水電工程巖體試驗規(guī)程》(SL264—2001)的相關(guān)要求和試樣精度制作了若干巖樣,試件尺寸為直徑50mm、高100mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。本實驗采用的試樣主要礦物成分以斜長石和石英為主,占約90%。斜長石摩氏硬度為6~6.5,石英的摩氏硬度為7,都屬于硬度較高的礦物。巖石實驗借助于四川大學(xué)水利水電學(xué)院MTS815Teststar巖石試驗機完成。

    本次試驗設(shè)置5MPa、10MPa、20MPa、30MPa 4種圍壓水平進行,并設(shè)置飽和試樣(BX1、BX2、BX3、BX4,依次代表圍壓5MPa、10MPa、20MPa、30MPa)與天然試樣(GX1、GX2、GX3、GX4,依次代表圍壓5MPa、10MPa、20MPa、30MPa)。試樣采用循環(huán)等幅加、卸載模式,第1次循環(huán)峰值為20MPa,每次增幅20MPa。試驗中靜水壓力段圍壓與軸壓均采用應(yīng)力控(FORCE控制),加載速率0.05MPa·s-1。峰前軸壓循環(huán)加、卸載階段(80%峰值強度前,具體數(shù)值由常規(guī)三軸試驗確定),采用應(yīng)力控制(FORCE控制),軸壓加載以及卸載速率為1.0MPa·s-1; 循環(huán)加、卸載結(jié)束后階段(80%峰值強度后),采用軸向位移(LDVT)控制,加載速率為0.02mm·min-1。循環(huán)加載示意(圖1)。

    圖1 循環(huán)加載示意圖

    2 巖石變形能量演化規(guī)律

    從能量角度分析,巖石在受力變形至破壞的整個過程中,始終與外界保持著物質(zhì)和能量的交換,或?qū)⑼獠渴┘拥臋C械能轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石自身的內(nèi)能,或?qū)?nèi)部的應(yīng)變能以一定的方式釋放到外界(謝和平等, 2008)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律,考慮一個單位體積的巖體單元在外力作用下產(chǎn)生變形,假設(shè)該物理過程與外界沒有熱交換,即外力所做的功可認為全部被巖石吸收,外力做功所產(chǎn)生的能量U為(謝和平等, 2005; 李天斌等, 2015):

    U=Ud+Ue

    2.1 飽和與天然狀態(tài)下能量演化規(guī)律差異

    圖2為飽和與天然試樣應(yīng)力功隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線??梢钥闯觯撼跏佳h(huán)階段應(yīng)力功增長緩慢,之后應(yīng)力功隨循環(huán)次數(shù)迅速增加,近似指數(shù)增長。循環(huán)次數(shù)相同時,飽和試樣吸收的應(yīng)力功稍大于天然試樣,兩種狀態(tài)下試樣吸收應(yīng)力功的能力差異不大。

    圖2 應(yīng)力功隨循環(huán)次數(shù)的演化關(guān)系

    圖3 彈性應(yīng)變能隨循環(huán)次數(shù)的演化關(guān)系

    圖3為試樣可釋放彈性能隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。彈性應(yīng)變能是巖石內(nèi)部恢復(fù)變形釋放的能量,表征巖石儲存能量的能力。其增長趨勢與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系近似指數(shù)增長。圍壓與循環(huán)次數(shù)相同時,飽和與天然試樣彈性應(yīng)變能近似相等。

    圖4為耗散能隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。耗散能用于巖石內(nèi)部原始裂紋的壓密與新裂紋的產(chǎn)生、擴展,以及已有裂紋面的摩擦與滑移,造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。從圖中可以看出,初始循環(huán)耗散能增長緩慢,表明在低應(yīng)力水平下裂紋的產(chǎn)生與擴展很少,僅存在原有裂紋的壓縮與閉合; 循環(huán)中期耗散能近線性增長,巖樣正處于裂紋穩(wěn)定擴展階段; 循環(huán)后期耗散能曲線突然變陡,耗散能急劇增加,裂紋迅速擴展與貫通,表明巖石內(nèi)部損傷劇烈。相同應(yīng)力水平下飽和試樣耗散能大于天然巖樣,表明在飽和狀態(tài)下更多的能量用于裂紋的產(chǎn)生、擴展、貫通,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷更強烈。

    圖4 耗散能隨循環(huán)次數(shù)的演化關(guān)系

    將試樣在單次循環(huán)中的耗散能除以應(yīng)力功得出耗散能比例,圖5 為耗散能比例隨循環(huán)次數(shù)的演化關(guān)系曲線。由圖可以看出,耗散能比例曲線呈降低-水平-增加的趨勢; 相同圍壓與循環(huán)條件下飽和與天然試樣耗散能比例相差不大。

    圖5 耗散能比例隨循環(huán)次數(shù)的演化關(guān)系

    圖6為能量極限值隨圍壓的變化關(guān)系曲線。由圖可知:天然試樣極限應(yīng)力功、極限彈性應(yīng)變能、極限耗散能明顯大于飽和巖樣極限能量值,且兩者的差值隨圍壓增加而增大。表明天然巖樣吸收應(yīng)力功、儲存彈性應(yīng)變能的能力強于飽和試樣,且隨圍壓增加天然試樣吸收、儲存能量的能力增強。

    圖6 能量極限值隨圍壓的變化關(guān)系

    綜上所述,兩種狀態(tài)下試樣相同循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力功、可釋放彈性應(yīng)變能、耗散能相差很小,但天然試樣能夠經(jīng)歷更多的循環(huán),承受更高的應(yīng)力水平,其極限能量值遠大于飽和試樣。

    2.2 巖石壓縮階段劃分

    一般而言,巖石三軸壓縮過程可分為如下幾個階段:壓密階段、彈性階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段、破壞后階段(陽生權(quán)等, 2008)?;趹?yīng)力功、彈性應(yīng)變能、耗散能、耗散能比例對試樣壓縮變形階段進行劃分(以GX4為例,見圖7)。

    圖7 GX4試樣能量隨循環(huán)次數(shù)演化規(guī)律

    壓密階段(OA段):應(yīng)力功與彈性應(yīng)變能增長緩慢,耗散能很小,耗散能比例較大,耗散能用于巖石原有裂紋的壓密和顆粒之間的咬合,但巖石吸收的大部分能量仍以可釋放彈性應(yīng)變能儲存起來。

    彈性階段(AB段):經(jīng)過壓密,試樣由非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗七B續(xù)介質(zhì),應(yīng)力功與彈性應(yīng)變能近似指數(shù)迅速增加,耗散能近線性緩慢增加。這個階段能量耗散較少,耗散能比例逐漸降低,巖石吸收的能量基本上轉(zhuǎn)化為彈性能。

    裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(BC段):進入彈塑性變形階段,試樣內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋的萌生與擴展,巖石內(nèi)部損傷逐漸加劇。應(yīng)力功與彈性應(yīng)變能呈指數(shù)增長,耗散能呈指數(shù)增長,耗散能比例近似水平直線。耗散能增長迅速,表明裂紋萌生、擴展加劇。

    裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段(CD段):裂紋的破裂機制發(fā)生了質(zhì)的變化,應(yīng)力集中效應(yīng)顯著。這個階段應(yīng)力功急劇增長,彈性應(yīng)變能增長趨勢減緩,耗散能顯著增加,耗散能比例迅速變大。該階段巖石儲存彈性能的能力已接近極限。

    3 彈性模量演化規(guī)律

    3.1 彈性模量取值方法

    常用的巖石彈性模量包括平均模量Eav、割線模量Es、切模量Et。平均模量(Eav):應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段的平均斜率。切線模量(Et):應(yīng)力-應(yīng)變曲線任意應(yīng)力處切線的斜率。割線模量(Es):應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某應(yīng)力處與曲線原點之間直線的斜率,使用過程中一般取σc/2應(yīng)力處與原點兩點之間直線的斜率。國際巖石力學(xué)試驗學(xué)會(ISRM)規(guī)定可采用割線模量E50作為非線性巖石的彈性模量。

    由于本次試驗采用的應(yīng)力路徑與加載方式,不容易求取每個循環(huán)的彈性變形階段,平均模量與割線模量均不適用。根據(jù)Heap et al.(2008)提出的彈性模量計算方法,對循環(huán)曲線中每個回滯環(huán)進行3次多項式擬合的方法來確定任意應(yīng)力下的切線模量。以圍壓10MPa(GX2)天然試樣第10次循環(huán)加卸載曲線為例 (圖8),首先計算出應(yīng)力差為20MPa時加載曲線和卸載曲線的切線彈性模量,如果兩者的差值在10GPa之內(nèi),就認為應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于彈性階段,取加載曲線上的切線模量為這個回滯環(huán)的真實值,若兩者差值大于10GPa,則不取 (圖9)。此后應(yīng)力每增加20MPa計算一次。

    圖8 GX2第10次循環(huán)加卸載曲線

    圖9 加卸載曲線斜率

    3.2 循環(huán)次數(shù)與圍壓對彈性模量的影響

    圖10~圖13 為不同圍壓的天然巖石切線模量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。由圖可知:同一個偏應(yīng)力水平切線模量隨循環(huán)次數(shù)增加有一個先增大的趨勢,該過程仍然處于裂紋壓密階段,巖樣內(nèi)部原有裂隙隨應(yīng)力水平增加逐漸閉合,缺陷部位被壓縮或壓密,內(nèi)部應(yīng)力由軟弱部分與堅硬部分共同承擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓤杂膊糠殖袚?dān)或堅硬部分主要承擔(dān),巖石切線模量出現(xiàn)強化。

    隨循環(huán)次數(shù)增多,切線模量變化趨勢由增大轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩鄿p小,表征巖石內(nèi)部裂紋萌生與擴展加劇。該過程中原有裂隙面之間出現(xiàn)摩擦與滑移,以及應(yīng)力水平增加產(chǎn)生新的裂隙,塑性變形增加,切線模量隨循環(huán)次數(shù)增加有不同程度的減小,相同應(yīng)力水平的切線模量隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)弱化的趨勢。

    圖10 GX1試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖11 GX2試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖12 GX3試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖13 GX4試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    為了探究循環(huán)次數(shù)對切線模量的影響,取相同應(yīng)力水平下切線模量的最大值作為該應(yīng)力水平巖石裂紋的壓密點(取為E0)。將相同應(yīng)力水平壓密點以后的切線模量除以E0定義為弱化系數(shù),分析切線模量隨循環(huán)次數(shù)的弱化程度(限于篇幅,僅以GX4為例,見圖14)。

    圖14 GX4試樣切線模量弱化系數(shù)演化規(guī)律

    圖14發(fā)現(xiàn)切線模量隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢有如下規(guī)律:(1)循環(huán)次數(shù)增加引起弱化系數(shù)不斷降低,即循環(huán)增多切線模量降低幅度增大,加劇了裂紋萌生、擴展、貫通; (2)應(yīng)力水平增加時,切線模量弱化幅度也會增大。圖15 為天然試樣應(yīng)力差20MPa時不同圍壓的切線模量弱化系數(shù),可以看出:除GX3外,試樣隨圍壓增加表現(xiàn)出良好的規(guī)律:隨圍壓增加弱化系數(shù)降低幅度減小,即圍壓增大抑制試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。

    圖15 天然試樣弱化系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系(應(yīng)力差20MPa)

    圖16 飽和試樣弱化系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系(應(yīng)力差20MPa)

    大量的巖石力學(xué)試驗已經(jīng)揭示了巖石的損傷方式,微裂隙發(fā)展可以分為3種類型:應(yīng)力誘導(dǎo)微裂隙,由應(yīng)力增加而導(dǎo)致微裂隙的發(fā)展; 循環(huán)疲勞微裂隙,即由于循環(huán)荷載導(dǎo)致原生裂隙的張開與閉合時產(chǎn)生的新微裂隙; 時間引起微裂隙,即在一定的應(yīng)力作用下隨著時間的增加而產(chǎn)生的微裂隙。本次試驗揭示了前兩種微裂紋的產(chǎn)生,裂紋的產(chǎn)生是應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)共同作用的結(jié)果,而隨時間產(chǎn)生的裂紋很少。

    3.3 含水量對彈性模量的影響

    由圖17~圖20 可知,總體上飽和試樣與天然試樣規(guī)律近似:隨著裂紋與缺陷被壓密或壓縮切線模量逐漸增大,然后隨著循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力增加切線模量呈現(xiàn)出弱化特性。相同圍壓條件下,圖16 飽和試樣與圖15天然試樣相比可知:(1)除BX4試樣,飽和試樣應(yīng)力差為20MPa的弱化趨勢與圍壓有明顯的相關(guān)性; (2)相同循環(huán)次數(shù)飽和試樣的弱化系數(shù)明顯大于天然試樣,即飽和試樣切線模量弱化程度更大,說明水的存在加劇了飽和試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。

    圖17 BX1 試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖18 BX2試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖19 BX3試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    圖20 BX4試樣切線模量隨循環(huán)次數(shù)變化

    4 討 論

    切線模量表征巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系,反映內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷過程。巖石的能量是基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系獲取的巖石內(nèi)部屬性,表征巖石在循環(huán)加卸載過程中所處的狀態(tài),揭示巖石變形破壞規(guī)律。根據(jù)耗散能演化規(guī)律與切線模量的弱化規(guī)律,揭示巖石變形破壞過程。

    圖21 試樣切線模量與耗散隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

    耗散能是巖樣裂紋萌生、擴展、貫通的能量來源,反應(yīng)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度,隨循環(huán)次數(shù)增加,裂紋萌生與擴展加劇。由圖21 可知,耗散能隨循環(huán)次數(shù)增大是引起切線模量弱化的內(nèi)在因素,兩者的變化規(guī)律揭示了裂紋產(chǎn)生、擴展、貫通的整個過程,呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性。壓密階段:耗散能很小,增長趨勢緩慢,僅存在原有裂紋的壓密,幾乎不產(chǎn)生新的微裂紋,切線模量隨循環(huán)次數(shù)增加。彈性變形階段:高應(yīng)力水平切線模量在增加,低應(yīng)力水平切線模量已經(jīng)出現(xiàn)弱化,耗散能近直線緩慢增長,僅有少量微裂紋產(chǎn)生。裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段:所有應(yīng)力水平下切線模量均出現(xiàn)弱化,耗散能呈指數(shù)快速增長,試樣損傷加劇。裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段:耗散能急劇增長,主要用于裂紋萌生、擴展、貫通,加卸載曲線切線模量差值超過10GPa,已超出本文定義的彈性階段,無法求得切線模量。

    5 結(jié) 論

    對循環(huán)加、卸載試驗獲取的數(shù)據(jù)進行處理分析,得出如下結(jié)論:

    (1)根據(jù)能量演化規(guī)律將巖石壓縮變形破壞過程劃分為4個階段,即壓縮階段、彈性階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段。耗散能增大是引起切線模量弱化的內(nèi)在因素,兩者的變化規(guī)律呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性,共同揭示裂紋產(chǎn)生、擴展、貫通的整個過程。

    (2)相同圍壓與循環(huán)次數(shù)的飽和與天然狀態(tài)試樣應(yīng)力功、可釋放彈性應(yīng)變能、耗散能相差很??; 但天然試樣能夠經(jīng)歷更多的循環(huán),承受更高的應(yīng)力水平,其極限能量值遠大于飽和試樣。

    (3)同一個應(yīng)力水平切線模量隨循環(huán)次數(shù)增加呈先增大后降低的趨勢。

    (4)循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力水平增加造成切線模量降低幅度增大; 圍壓增加抑制裂紋擴展,切線模量弱化幅度減小; 飽和試樣切線模量的弱化趨勢更大,說明水的存在加劇了裂紋的擴展。

    (5)本次試驗揭示了裂紋的產(chǎn)生是應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)共同作用的結(jié)果。裂紋首先由應(yīng)力增加引起,經(jīng)由循環(huán)次數(shù)引起裂紋進一步擴展,造成試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。

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    JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 1004-9665/2016/24(5)- 0891- 08

    ELASTIC MODULUS’S EVOLUTION LAW OF PLAGIOGRANITE UNDER CYCLIC LOADING

    This paper presents the increasing-amplitude cycle loading experiment of plagiogranite through the MTS815 rock mechanics testing machine. It examines the effects of number of cycle, confining pressure and moisture content on elastic modulus, and analyzes the variation of work stress,elastic strain energy and dissipated energy with increasing number of cycle. The process of rock compression deformation and failure is divided into four stages according to the energy change law. It researches the relationship between tangent modulus and dissipated energy. The experimental results show that:(1)The tangent modulus at the same stress level is increased and then decreased at the cycle times increases. Its decreasing amplitude increases as cycles and stress level increase. (2)The weakened amplitude of tangent modulus decreases with increase of confining pressure. (3)The weakened amplitude of tangent modulus of saturated samples is bigger than that of natural samples, which shows that water is aggravated damage on saturated samples. (4)The increase of dissipated energy is the cause of the tangent modulus weakening. The change rules of dissipated energy and tangent modulus are correlative.

    Cyclic loading, Plagiogranite, Elastic modulus, Energy

    10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.018

    2016-05-30;

    2016-07-27.

    國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2011CB013501),國家自然科學(xué)基金項目(42272333)資助.

    胡廣(1991-),男,碩士生,主要從事地質(zhì)工程方面的研究工作. Email: 214764662@qq.com

    簡介: 趙其華(1965-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事巖石高邊坡工程、地質(zhì)災(zāi)害評價與治理設(shè)計等領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作. Email: zhqh@163.com

    P642.3

    A

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