循環(huán)荷載下微波照射玄武巖的損傷變形與能量特征

盧高明， 周建軍， 張 兵， 潘東江， 童天揚(yáng)

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450001; 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 511458)

0 引言

TBM開(kāi)挖硬巖隧道時(shí)，滾刀磨損嚴(yán)重，維修量和施工成本增加，延誤工期。硬巖微波致裂技術(shù)可輔助TBM機(jī)械破巖刀具預(yù)裂堅(jiān)硬巖石，提高刀具使用壽命和貫入度，降低換刀頻率和減少檢修時(shí)間，從而降低施工成本，提高施工效率[1-2]。由于自然和人為因素，工程巖體經(jīng)常受到周期載荷的作用。周期荷載下，巖石的力學(xué)特性對(duì)工程巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要的影響作用。隨著地下工程開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展，硬巖微波致裂這一新技術(shù)也開(kāi)始試用到巖土工程中，這對(duì)提升地下工程施工效率和確保深部巖體工程施工安全具有重要意義[3-4]。

微波技術(shù)在采礦和礦物加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可用來(lái)輔助采礦、選礦和磨礦[3-5]。諾丁漢大學(xué)對(duì)微波輔助選礦、磨碎和提純以及微波對(duì)巖石的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并對(duì)不同種類(lèi)礦石進(jìn)行了微波輻射處理前后的磨礦試驗(yàn)，通過(guò)邦德功指數(shù)研究礦石的可磨性，試驗(yàn)證明微波輻射處理能明顯降低礦石的邦德功指數(shù)，這說(shuō)明微波處理能夠降低礦石破碎所需要的能量[6-8]。

巖石中存在對(duì)微波敏感的礦物，這些礦物吸收微波后將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，礦物受熱膨脹但受到周?chē)镔|(zhì)的約束，因而產(chǎn)生了熱膨脹應(yīng)力，故微波照射后巖石能產(chǎn)生裂紋甚至破碎[9]。微波的作用效果與多種因素相關(guān)，如： 微波功率、輻射時(shí)間、試樣至加熱器的距離[10]、試樣尺寸[11-12]、加熱路徑[9]及礦物類(lèi)型[13-14]等。試驗(yàn)結(jié)果表明，微波的功率越大、時(shí)間越長(zhǎng)，作用效果越明顯。微波對(duì)巖石的作用存在最佳距離和最佳試樣尺寸，此時(shí)巖石升溫特性最佳。不同造巖礦物的吸波性不同，可依據(jù)升溫特性分為強(qiáng)、中、弱3類(lèi)[13-14]。

在微波輔助采礦方面，麥吉爾大學(xué)采用多模腔微波裝置對(duì)不同微波功率下不同種類(lèi)巖石的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并在試驗(yàn)研究和數(shù)值研究的基礎(chǔ)上討論了微波輔助破巖技術(shù)對(duì)未來(lái)太空采礦的優(yōu)勢(shì)作用[2,15]。中國(guó)學(xué)者介紹了微波輔助與掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合破巖、微波輔助與水力聯(lián)合破巖2種新工藝技術(shù)在非煤礦中的研究應(yīng)用，并提出微波誘導(dǎo)崩落法這一新的采礦方法[16]。東北大學(xué)自主研發(fā)了敞開(kāi)式硬巖微波致裂試驗(yàn)裝置，對(duì)大尺寸巖塊和工程巖體進(jìn)行微波致裂試驗(yàn)[1,17]，并試圖研發(fā)一種適用于金屬礦連續(xù)開(kāi)采的采礦機(jī)，實(shí)現(xiàn)金屬礦礦巖的連續(xù)開(kāi)采，這將對(duì)革新金屬礦開(kāi)采技術(shù)起到突破性作用。

關(guān)于循環(huán)條件對(duì)巖石性能的影響及循環(huán)載荷下巖石的疲勞、變形、損傷、能量特性的研究已經(jīng)很多。鄧華鋒等[18]、何明明等[19-20]研究了循環(huán)幅值、頻率、應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)幅值和頻率會(huì)影響滯回環(huán)的形態(tài)；循環(huán)的應(yīng)力上限存在門(mén)檻值，當(dāng)應(yīng)力高于或低于門(mén)檻值時(shí)，動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比、阻尼比等參數(shù)具有不同的變化趨勢(shì)。Geranmayeh等[21]研究了循環(huán)幅值、應(yīng)力水平對(duì)2種不同硬度巖石的疲勞強(qiáng)度與壽命的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅值越高，疲勞強(qiáng)度越小，壽命越短。葛修潤(rùn)等[22]、盧高明等[23-24]、Jia等[25]研究了巖石循環(huán)載荷下的疲勞變形及破壞特性，發(fā)現(xiàn)初始階段軸向和環(huán)向變形緩慢增加，且至失效前穩(wěn)定增加，失效時(shí)不可逆變形突然增加，因此周期荷載的上限應(yīng)力和幅值是影響巖石疲勞強(qiáng)度、壽命的主要因素。彭瑞東等[26]研究了三軸條件下煤巖的損傷演化規(guī)律，從能量的角度分析了不同圍壓下煤巖的損傷演化。趙闖等[27]研究了巖石循環(huán)載荷下的損傷及能量特性，討論了每次循環(huán)巖石的耗散能、損傷變量、塑性變形與循環(huán)次數(shù)以及應(yīng)力之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越高，每次循環(huán)的耗散能、損傷變量、塑性變形越大。由于巖石并非理想的彈性體，每次循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生不可逆變形，加卸載曲線形成了滯回環(huán)，通常以滯回環(huán)的面積作為一個(gè)循環(huán)的耗散能[28]。謝和平等[29]分析了巖石變形破壞過(guò)程中的能量耗散，指出巖石變形破壞過(guò)程是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)的不可逆變化過(guò)程，而假設(shè)系統(tǒng)封閉來(lái)計(jì)算耗散能只是一種近似處理方法。如何定義適用于巖石的損傷變量以及推導(dǎo)相應(yīng)的損傷演化方程并確定相關(guān)參數(shù)是研究巖石力學(xué)行為的一大難點(diǎn)，SEM、聲發(fā)射、CT等測(cè)試技術(shù)的發(fā)展有助于該方面的研究。

目前，對(duì)巖石在循環(huán)載荷下的力學(xué)特性、損傷、變形、能量的研究已經(jīng)比較全面，但微波作用后巖石在循環(huán)載荷下的損傷演化規(guī)律和能量特性尚不清晰。本文對(duì)微波照射后的玄武巖進(jìn)行單軸壓縮和單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析巖石單軸壓縮強(qiáng)度、峰值變形、損傷變量、耗散能等參數(shù)的變化，并得出相應(yīng)的結(jié)論，以期為以后硬巖微波致裂技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)所用的玄武巖取自?xún)?nèi)蒙古赤峰，巖樣一致性較好，沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的裂紋。將采集的玄武巖制成φ50 mm × 100 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，對(duì)試樣斷面切割、磨平，使其端面平整度控制在0.02 mm以?xún)?nèi)。測(cè)定玄武巖的密度為2.88 ～ 2.89 g/cm3，縱波波速為6 033.67 ～ 6 108.33 m/s。為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，采用的所有試樣均從同一巖塊上取得。由XRD測(cè)試結(jié)果可知，該玄武巖主要礦物分為輝石、橄欖石、斜長(zhǎng)石以及少量的鈦鐵礦，其中輝石為強(qiáng)微波吸收類(lèi)礦物，橄欖石為強(qiáng)熱膨脹性礦物[30]。因此，該玄武巖具有良好的微波吸收能力，微波照射后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展。

1.2 試驗(yàn)方案

將試樣分為2組，第1組進(jìn)行微波照射后的單軸壓縮試驗(yàn)，第2組進(jìn)行微波照射后的循環(huán)加卸載試驗(yàn)。第1組設(shè)置微波功率4 kW，微波照射時(shí)間分別為0、10、20、30 s。微波照射后的試樣冷卻至室溫后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，先通過(guò)負(fù)荷控制加載到峰值強(qiáng)度的60%左右，加載速率為1 kN/s，然后轉(zhuǎn)為環(huán)向變形控制，得到不同照射時(shí)長(zhǎng)下試樣單軸壓縮的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。第2組設(shè)置的微波功率和照射時(shí)長(zhǎng)與第1組相同，微波照射后的試樣冷卻至室溫后進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，循環(huán)下限為2.6 MPa，循環(huán)幅值分別為每組試樣平均單軸壓縮強(qiáng)度的20%、40%、60%、80%。加卸載試驗(yàn)采用負(fù)荷控制，加載和卸載速率均為1 kN/s。經(jīng)過(guò)4次循環(huán)后再次加載到平均單軸壓縮強(qiáng)度的60%左右，然后轉(zhuǎn)為環(huán)向變形控制，得到不同照射時(shí)長(zhǎng)下試樣循環(huán)加卸載的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑和詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)分別見(jiàn)圖1和表1。微波加熱試驗(yàn)和加載試驗(yàn)均重復(fù)3次，共采用24塊試樣。

圖1 循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑

表1 循環(huán)加卸載試驗(yàn)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)參數(shù)定義

由于巖石具有非均勻性，內(nèi)部存在大量微裂隙，對(duì)其進(jìn)行循環(huán)加卸載時(shí)，裂隙會(huì)在加載階段被壓密并擴(kuò)展，卸載時(shí)被壓密的裂隙及擴(kuò)展的裂紋并不能恢復(fù)到最初的狀態(tài)，造成變形滯后于應(yīng)力，形成了滯回曲線，巖石的加卸載曲線如圖2所示。

圖2 循環(huán)加卸載滯回環(huán)示意圖

圖2中：σmax為1個(gè)循環(huán)的應(yīng)力上限；σmin為1個(gè)循環(huán)的應(yīng)力下限； εmax為1個(gè)循環(huán)的最大應(yīng)變； εmin為1個(gè)循環(huán)的起始應(yīng)變； εs為1個(gè)循環(huán)結(jié)束點(diǎn)的應(yīng)變。

在加載過(guò)程中，外力所做的功一部分轉(zhuǎn)化為巖石儲(chǔ)存的彈性能，卸載時(shí)這部分能量會(huì)完全釋放出來(lái)； 另一部分卸載時(shí)不能恢復(fù)的能量用于產(chǎn)生不可逆變形、裂紋、聲能、熱能等，這些耗散掉的能量統(tǒng)稱(chēng)為耗散能。假設(shè)巖石與環(huán)境沒(méi)有熱交換，由熱力學(xué)第一定律得[28]：

U=Ue+UD。

(1)

式中：U為外力所做的總功；Ue為可釋放的彈性應(yīng)變能；UD為耗散能。U、Ue、UD的大小分別可用ABFD、CBFE、ABCED圍成的面積表示，其面積通過(guò)梯形積分公式求得。

能量的變化貫穿整個(gè)加載過(guò)程，試樣耗散能量導(dǎo)致其性能的劣化[31]。本文通過(guò)循環(huán)的累計(jì)耗散能與外力功來(lái)定義加載過(guò)程中的損傷變量[32]，即

(2)

式中：Di為損傷變量；UDi為第i次循環(huán)時(shí)的彈性應(yīng)變能；Ui為第i次循環(huán)時(shí)的外力功。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮與循環(huán)加卸載全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著微波照射時(shí)長(zhǎng)的增加，峰值強(qiáng)度和峰值變形都呈遞減趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。單軸壓縮條件下，加載前中期，軸向應(yīng)力與應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小。試驗(yàn)用的玄武巖是脆性硬巖，在峰值處軸向應(yīng)力突然減小，軸向變形恢復(fù)一部分，但由于試樣仍具有較強(qiáng)的殘余強(qiáng)度，軸向應(yīng)力會(huì)繼續(xù)增大，從而軸向變形也隨之增大， 如圖3所示。如圖4所示，循環(huán)加載條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)的面積逐漸增大。軸向應(yīng)力在不斷增大，當(dāng)應(yīng)力上限超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的不可逆變形快速增加。隨著微波照射時(shí)長(zhǎng)的增加，試樣的峰值強(qiáng)度和滯回環(huán)的面積逐漸減小。加載階段軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變形成的滯回環(huán)區(qū)域大于軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變形成的滯回環(huán)區(qū)域，這表明加載過(guò)程中耗散的能量大部分用于軸向的不可逆變形。

圖3 單軸壓縮下試樣破壞過(guò)程全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a) 未照射微波

(b) 4 kW, 10 s

(c) 4 kW, 20 s

(d) 4 kW, 30 s

在每次循環(huán)加載的峰值之前，試樣不斷積累能量，當(dāng)能量足夠大(達(dá)到破壞的門(mén)檻值)時(shí)，試樣表面出現(xiàn)裂紋及碎片剝落現(xiàn)象，并伴隨清脆的響聲，將積累的能量釋放出一部分，使其低于再次破壞的門(mén)檻值。每次循環(huán)的峰值過(guò)后，試樣仍有殘余強(qiáng)度和應(yīng)變能;待穩(wěn)定后，因?yàn)榄h(huán)向變形速率保持不變，載荷會(huì)繼續(xù)增加，試樣又會(huì)繼續(xù)吸收能量來(lái)擴(kuò)展已有的裂紋和產(chǎn)生新的裂紋;當(dāng)達(dá)到臨界條件時(shí)，試樣儲(chǔ)存的彈性能會(huì)釋放，使軸向載荷減小。如此重復(fù)幾次后，由于裂紋不斷擴(kuò)大，最終試樣完全破壞。試驗(yàn)中為了保證變形測(cè)量裝置(LVDT位移傳感器)的安全，未讓試樣完全破壞;另外，由于試樣脆性較好，部分曲線峰后數(shù)據(jù)較少。

2.2 強(qiáng)度折減

玄武巖具有較強(qiáng)的微波吸收能力，材料的微波吸收能力越強(qiáng)，照射微波后產(chǎn)生的熱量越多。由于巖石的非均質(zhì)性和微波的選擇性加熱特點(diǎn)，巖石內(nèi)部受熱不均勻產(chǎn)生了溫度差； 且由于不同礦物熱膨脹的不均勻性和巖石內(nèi)部物質(zhì)之間的相互約束而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石的承受極限后就會(huì)產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生裂紋表明巖石的連續(xù)性減弱，且隨著巖石內(nèi)破裂面的增多，巖石更加容易被破壞。

玄武巖的強(qiáng)度隨微波照射時(shí)長(zhǎng)的增加總體呈遞減趨勢(shì)，兩者具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，如圖5所示。單軸壓縮條件下，微波照射10、20、30 s的巖石強(qiáng)度相對(duì)于未照射微波的巖石強(qiáng)度分別減少4.06%、12.55%、14.49%； 循環(huán)加卸載條件下，微波照射10、20、30 s的巖石強(qiáng)度相對(duì)于未照射微波的巖石強(qiáng)度分別減少0.22%、10.51%、11.48%。2種加載情況下，微波照射10 s對(duì)強(qiáng)度的影響并不明顯，隨著時(shí)間的增加，強(qiáng)度減少百分比也相應(yīng)增大。從10 s到20 s，強(qiáng)度減少百分比有一個(gè)突增，從20 s到30 s，增加量變化不大，這說(shuō)明微波照射時(shí)長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度的影響存在臨界區(qū)間，低于臨界區(qū)間下限時(shí)，強(qiáng)度變化不大，超過(guò)臨界區(qū)間上限時(shí)，強(qiáng)度會(huì)有較大的減少。循環(huán)加卸載條件下的峰值強(qiáng)度與單軸壓縮條件下的峰值強(qiáng)度有一定差異，循環(huán)加卸載條件下的強(qiáng)度相對(duì)于單軸壓縮下的強(qiáng)度分別增加了-0.09%、3.91%、2.24%、3.43%。該差異較小，可能由試樣自身的離散性造成，本試驗(yàn)中的循環(huán)加載方式對(duì)強(qiáng)度的影響可以忽略。

圖5 峰值強(qiáng)度與微波照射時(shí)間的關(guān)系

2.3 變形特性

如圖6和圖7所示，峰值強(qiáng)度時(shí)的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變(取絕對(duì)值)隨微波照射時(shí)長(zhǎng)的增加呈遞減趨勢(shì)，兩者具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。這表明微波照射使試樣的抗變形能力減弱，降低了試樣破壞的臨界變形值。微波照射對(duì)試樣造成了損傷，相當(dāng)于試樣已經(jīng)產(chǎn)生了一定的初始變形，但試驗(yàn)中記錄的是加載過(guò)程中的變形，故達(dá)到相同的變形時(shí)，照射微波試樣的變形自然比不照射微波的小，抗變形能力也相應(yīng)的減弱。

圖6 玄武巖試樣軸向應(yīng)變與微波照射時(shí)間的關(guān)系

圖7 玄武巖試樣環(huán)向應(yīng)變與微波照射時(shí)間的關(guān)系

在循環(huán)加載條件下，破壞時(shí)的軸向和環(huán)向應(yīng)變都大于單軸壓縮時(shí)的。相對(duì)于單軸壓縮的軸向應(yīng)變，循環(huán)加載條件下的軸向應(yīng)變?cè)隽糠謩e為8.49%、10.68%、24.05%、18.13%； 相對(duì)于單軸壓縮的環(huán)向應(yīng)變，循環(huán)加載條件下的環(huán)向應(yīng)變?cè)隽糠謩e為23.84%、19.56%、37.12%、22.60%，表明加載方式對(duì)試樣的軸向、環(huán)向變形具有一定的影響。循環(huán)加載時(shí)，試樣處于交變應(yīng)力狀態(tài)，試樣內(nèi)部的裂隙經(jīng)過(guò)多次壓縮產(chǎn)生了更多的不可逆變形；而單軸壓縮時(shí)，應(yīng)力一直增加直到試樣峰值，裂隙還未充分閉合就發(fā)生了破壞，故循環(huán)加載下試樣產(chǎn)生的變形更大。

峰值時(shí)的體積應(yīng)變隨微波照射時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)與軸向和環(huán)向應(yīng)變的變化趨勢(shì)不同(見(jiàn)圖8)。單軸條件下，峰值時(shí)的體積應(yīng)變均為正值(體積縮小為正)，可見(jiàn)照射微波后的體積應(yīng)變均大于未照射微波的，其中微波照射20 s的體積應(yīng)變變化偏大。從圖7可知該組試樣的環(huán)向變形偏小，故其體積應(yīng)變偏大。循環(huán)加載條件下，未照射微波的體積應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，照射微波后體積應(yīng)變均為正值，這表明微波照射后試樣還未到擴(kuò)容階段就發(fā)生了破壞。另外，循環(huán)加載條件下的體積應(yīng)變均小于單軸壓縮的，表明循環(huán)條件下試樣達(dá)到峰值時(shí)距擴(kuò)容階段更近。

圖8 玄武巖試樣體積應(yīng)變與微波照射時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系

由于巖石并非理想彈性體，每次加卸載都會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，每次循環(huán)產(chǎn)生的塑性變形有2種變化趨勢(shì)，且最后一次循環(huán)的塑性變形最大(見(jiàn)圖9)。微波照射10 s和20 s的塑性變形隨加載次數(shù)先減小，后增大； 微波照射0 s和30 s的塑性變形隨加載次數(shù)一直增大。塑性變形先減小，后增大原因有2點(diǎn)： 1)可能是該組巖石的初始缺陷較多，壓密階段產(chǎn)生的塑性變形較多，之后試樣處于彈性階段，產(chǎn)生的塑性變形較少； 2)是微波對(duì)試樣的初始損傷及循環(huán)應(yīng)力上限影響的結(jié)果。

圖9 每次循環(huán)塑性變形與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

微波對(duì)第1次和最后1次循環(huán)的影響比較明顯，第1次循環(huán)中，照射微波的塑性變形相差不大，但都大于未照射微波的，第4次循環(huán)中，微波照射時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的塑性變形越小。微波不僅對(duì)試樣造成了損傷，同時(shí)也導(dǎo)致了循環(huán)上限的改變，兩者共同影響。第1次循環(huán)時(shí)循環(huán)應(yīng)力上限相差不大，微波造成的損傷占主要地位，第4次循環(huán)時(shí)，循環(huán)應(yīng)力上限占主要地位，應(yīng)力越大，塑性變形越大。第2、3次循環(huán)中，微波照射時(shí)間對(duì)塑性變形的影響處于過(guò)渡階段。

2.4 微波照射對(duì)損傷特性的影響

微波對(duì)巖石的損傷可通過(guò)損傷變量來(lái)衡量，通過(guò)式(2)求出各加卸載階段的損傷變量，作出4個(gè)循環(huán)的損傷變量與循環(huán)應(yīng)力上限的關(guān)系圖， 見(jiàn)圖10。如圖10所示，由于應(yīng)力上限與微波照射時(shí)長(zhǎng)是相對(duì)應(yīng)的，每個(gè)循環(huán)中，應(yīng)力上限增加趨勢(shì)對(duì)應(yīng)微波照射時(shí)長(zhǎng)的遞減趨勢(shì)，即30、20、10、0 s，所以該圖也能反映微波照射時(shí)長(zhǎng)對(duì)損傷變量的影響。損傷變量隨著循環(huán)應(yīng)力上限的增加，整體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，第1次和第4次產(chǎn)生的損傷較大，第2、3次產(chǎn)生的損傷相差不大。第1次處于壓密階段，產(chǎn)生的不可逆變形及耗散的能量較多，第4次應(yīng)力上限已經(jīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生的不可逆變形會(huì)突然增多，第2、3次循環(huán)試樣處于彈性階段，產(chǎn)生的不可逆變形較小。

圖10 加載損傷變量與循環(huán)應(yīng)力上限的關(guān)系

第1次循環(huán)中，損傷變量隨著應(yīng)力上限增加呈遞增趨勢(shì)，表明微波照射后損傷變量減小，因?yàn)殚_(kāi)始循環(huán)時(shí)的應(yīng)力上限相差不大，微波照射時(shí)間長(zhǎng)的試樣產(chǎn)生的初始損傷更大，更容易產(chǎn)生較大的損傷。第2次循環(huán)中損傷變量的演化規(guī)律與第1次循環(huán)相似，加載的損傷變量隨微波照射時(shí)間的增加而逐漸減小。第3、4次循環(huán)中，損傷變量隨應(yīng)力上限增加呈線性遞增趨勢(shì)，即微波照射時(shí)間越長(zhǎng)，加載的損傷變量越小。后2次循環(huán)中，應(yīng)力上限的差距逐漸增大，特別是當(dāng)應(yīng)力上限超過(guò)屈服強(qiáng)度后，應(yīng)力對(duì)損傷的影響占據(jù)主要地位，而微波照射時(shí)間與應(yīng)力上限呈負(fù)相關(guān)，故照射時(shí)間越長(zhǎng)，損傷變量越小。

2.5 微波照射對(duì)能量特征的影響

圖11示出4個(gè)循環(huán)的耗散能密度與循環(huán)應(yīng)力上限的關(guān)系。第1次循環(huán)的擬合曲線接近水平，這是因?yàn)榈?次循環(huán)的應(yīng)力上限只有單軸峰值強(qiáng)度的20%，各時(shí)間下的應(yīng)力上限相差不大，過(guò)低的應(yīng)力上限對(duì)巖石造成的影響很小，無(wú)法使微波照射產(chǎn)生的損傷有明顯的發(fā)展，故第1次循環(huán)的耗散能密度相近。隨著循環(huán)應(yīng)力上限的增加，耗散能密度也相應(yīng)增加，可以發(fā)現(xiàn)擬合曲線的斜率在不斷增大，表明應(yīng)力上限對(duì)耗散能密度的影響越來(lái)越大。第4次循環(huán)中，應(yīng)力上限增加較小的幅度，耗散能密度會(huì)大幅增加。在高應(yīng)力的情況下，試樣進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，產(chǎn)生的不可逆變形更多，形成的滯回環(huán)面積相應(yīng)地更大。微波照射時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力上限越小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力上限對(duì)耗散密度的影響將超過(guò)試樣初始損傷的影響，故滯回環(huán)的面積隨照射時(shí)間增加呈遞減趨勢(shì)。

圖11 耗散能密度與循環(huán)應(yīng)力上限的關(guān)系

外力功密度受應(yīng)力上限影響明顯(見(jiàn)圖12)，隨著應(yīng)力上限的增加，外力做功呈線性增加趨勢(shì)。試樣經(jīng)微波照射后單軸強(qiáng)度與軸向變形隨照射時(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)，相應(yīng)的循環(huán)幅值也隨照射時(shí)間呈線性減小，故外力功隨照射時(shí)間呈線性遞減的趨勢(shì)。微波照射后，每次循環(huán)輸入的能量隨照射時(shí)間增加而減小，這表明試樣破壞需要的能量隨微波照射時(shí)間的增加而減小，微波照射降低了試樣破壞的能量門(mén)檻。

圖12 外力功密度與循環(huán)應(yīng)力上限的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

1)微波對(duì)2種加載方式的強(qiáng)度、峰值變形(軸向變形和環(huán)向變形)影響趨勢(shì)相同，均與微波照射時(shí)間成線性降低關(guān)系。因?yàn)槲⒉ㄕ丈淠苁乖嚇赢a(chǎn)生裂紋，加載時(shí)裂紋更容易沿著原有的裂紋擴(kuò)展，降低了其峰值強(qiáng)度和變形。

2)當(dāng)應(yīng)力上限較低時(shí)，加載損傷的差異主要體現(xiàn)在微波對(duì)試樣的初始損傷上，初始損傷大的試樣更容易產(chǎn)生較大的不可逆變形； 當(dāng)應(yīng)力上限較高時(shí)，加載損傷的差異主要體現(xiàn)在循環(huán)應(yīng)力上限的差別上，此時(shí)應(yīng)力上限是決定損傷的主要因素。

3)微波照射降低了試樣破壞的能量門(mén)檻。微波照射后，每個(gè)循環(huán)過(guò)程中外力功密度均隨照射時(shí)間的增加呈遞減趨勢(shì)，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度需要的能量隨微波照射時(shí)間的增加而減小。

4)微波照射引起的巖石強(qiáng)度的降低是由于微波的熱效應(yīng)對(duì)巖石內(nèi)部產(chǎn)生了損傷，以及使巖石內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能降低，從而增強(qiáng)TBM滾刀的切削性能，例如增加滾刀的貫入度和使用壽命，降低所需的轉(zhuǎn)矩和切削力等。

5)建議下一步進(jìn)行真三軸條件下微波照射后巖石的循環(huán)荷載試驗(yàn)，研究微波照射后巖石在真三軸條件下的損傷特性與能量特征。