裂隙巖石注漿加固后的疲勞損傷機(jī)理研究

注漿加固是地下工程結(jié)構(gòu)事故處理與預(yù)防的主要手段，由于巖體工程的隱蔽性以及巖體內(nèi)部裂隙、孔洞等缺陷分布的隨機(jī)性，開(kāi)展注漿加固后巖體的破壞機(jī)理研究，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題，關(guān)于周期荷載下的注漿加固體的力學(xué)性能及破壞機(jī)理研究尚無(wú)系統(tǒng)研究，其疲勞壽命及損傷演化模型尚未建立，本研究基于試驗(yàn)研究，以注漿加固后的巖石及類巖石材料為研究對(duì)象，通過(guò)抗彎及抗壓靜態(tài)加載和疲勞加載試驗(yàn)，揭示注漿加固后的破壞機(jī)理，并建立相應(yīng)的疲勞壽命方程和損傷演化模型，本項(xiàng)目研究完成了: (1)探討了樹(shù)脂和水泥加固含裂隙紅砂巖、大理巖、類巖石材料的壓縮破壞機(jī)理，分析了注漿材料、裂紋類型、裂紋數(shù)量巖石類型等因素對(duì)應(yīng)力重分布即開(kāi)裂模式的影響規(guī)律；(2)揭示了樹(shù)脂加固含裂隙巖石三點(diǎn)彎破壞機(jī)理，研究三種裂隙形式、注漿深度、增韌樹(shù)脂對(duì)破壞模式的影響規(guī)律；(3)考慮應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響，建立了壓縮和三點(diǎn)彎疲勞雙對(duì)數(shù)高頻疲勞壽命方程，結(jié)果吻合較好，疲勞壽命存在應(yīng)力水平的門檻值，當(dāng)應(yīng)力水平小于門檻值，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)循環(huán)比n/Nf達(dá)到0.5時(shí)，裂隙面橫向應(yīng)變突然迅速增加達(dá)到了門檻值導(dǎo)致開(kāi)裂，與試驗(yàn)中觀測(cè)到的開(kāi)裂現(xiàn)象一致。(4)應(yīng)力水平是影響疲勞力學(xué)性能的主要因素，當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，試樣的損傷破壞分為三個(gè)階段，即，初始損傷加速階段，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋不穩(wěn)定加速擴(kuò)展階段。而當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，損傷破壞退化為二個(gè)階段；(5)根據(jù)Logistic 模型，提出一種倒S型曲線模擬疲勞損傷演化曲線，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合較好。本項(xiàng)目的資助下，共發(fā)表論文9篇，申請(qǐng)專利2項(xiàng)，出國(guó)參加國(guó)際會(huì)議1次并作分組報(bào)告，培養(yǎng)碩士研究生2名，另外還有1名在讀碩士研究生。本項(xiàng)目研究成果可為地下及其他巖土工程注漿加固后效果評(píng)價(jià)提供理論與試驗(yàn)依據(jù)，為巖土工程事故處理及設(shè)計(jì)方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。 2100433B

巖體在周期荷載作用下的力學(xué)性能是影響巖體工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素之一，研究周期荷載作用下巖石的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律，有助于正確認(rèn)識(shí)巖體的破壞機(jī)理，科學(xué)地評(píng)價(jià)巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。本項(xiàng)目以裂隙巖石注漿加固體為研究對(duì)象，對(duì)注漿加固體的疲勞破壞機(jī)理以及損傷演化規(guī)律進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究。通過(guò)裂隙巖石注漿加固后的靜動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，分析注漿加固體的強(qiáng)度與變形規(guī)律，揭示裂隙巖石注漿加固后的靜態(tài)加載破壞機(jī)理。研究疲勞破壞過(guò)程中不可逆變形的變化規(guī)律，探討疲勞損傷累積量的影響因素以及影響規(guī)律，對(duì)比靜態(tài)破壞機(jī)理、原裂隙巖石疲勞破壞機(jī)理，揭示注漿加固后的疲勞破壞機(jī)理。觀測(cè)殘余塑性變形、剩余強(qiáng)度和壽命隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，建立循環(huán)次數(shù)與殘余塑性應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用殘余應(yīng)變差來(lái)定義損傷變量，推導(dǎo)損傷演化方程，對(duì)承受循環(huán)荷載作用的注漿加固巖體進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，為采礦、隧道、邊坡等巖土工程注漿加固提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本課題針對(duì)巖石開(kāi)挖工程廣泛關(guān)注的爆區(qū)附近圍巖穩(wěn)定問(wèn)題,開(kāi)展重復(fù)爆破荷載條件下巖石動(dòng)態(tài)疲勞損傷特性研究。通過(guò)設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)重復(fù)爆破荷載加載試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，研究重復(fù)爆破荷載彈性波作用下巖體疲勞損傷特征、裂紋分形演化和疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律，將裂紋擴(kuò)展規(guī)律和疲勞累積損傷演化統(tǒng)一起來(lái)，定義與多次爆破載荷相對(duì)應(yīng)的疲勞損傷因子；并進(jìn)一步分析研究疲勞參數(shù)對(duì)巖石疲勞劣化的機(jī)理和對(duì)巖石疲勞損傷壽命的影響。通過(guò)編制XFEM（擴(kuò)展有限元）程序?qū)r石動(dòng)態(tài)疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為巖石開(kāi)挖工程圍巖安全控制提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用手段。

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過(guò)程，是一個(gè)由包括零件裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂等組成的累積過(guò)程所導(dǎo)致產(chǎn)生的綜合結(jié)果。在循環(huán)加載期間，在最高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生局部塑性變形，這種塑性變形引起零件的永久損傷和裂紋擴(kuò)展。隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長(zhǎng)度(損傷)隨之增加。在達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導(dǎo)致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過(guò)程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和最終斷裂四階段。

裂紋在接近高應(yīng)力集中的局部剪切面上開(kāi)裂，如穩(wěn)定滑移帶、夾雜物、疏松或晶粒不連續(xù)分布等，局部剪切面通常發(fā)生在晶粒表面或邊界之內(nèi)。在這一階段，裂紋成核是疲勞過(guò)程的第一步。一旦裂紋成核并且持續(xù)施加循環(huán)載荷，裂紋就會(huì)沿著最大切應(yīng)力面并通過(guò)晶粒邊界擴(kuò)展。

在工程應(yīng)用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴(kuò)展期間的壽命長(zhǎng)度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴(kuò)展期間的壽命長(zhǎng)度稱為裂紋擴(kuò)展階段。通常，對(duì)從萌生到擴(kuò)展的過(guò)渡階段無(wú)法做出精確的定義。鋼制零件的裂紋萌生階段一般占其疲勞壽命的大部分，特別是在高周疲勞狀態(tài)下(約大于10000次循環(huán))。在低周疲勞狀態(tài)下(約小于10000次循環(huán))，疲勞壽命的大部分時(shí)間耗費(fèi)在裂紋擴(kuò)展。

一旦裂紋形成或者發(fā)生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會(huì)留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特征。裂紋成核區(qū)域位于殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區(qū)域擴(kuò)展開(kāi)來(lái)的樣子，通常呈輻射狀，留下一個(gè)半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過(guò)檢測(cè)裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識(shí)別裂紋擴(kuò)展開(kāi)始或者結(jié)束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹(shù)干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現(xiàn)出在一個(gè)加載循環(huán)期間裂紋擴(kuò)展的范圍。與樹(shù)類似，樹(shù)每年長(zhǎng)一圈，而疲勞損傷則在每個(gè)加載循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)圈。在發(fā)生疲勞失效時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對(duì)載荷的最后一點(diǎn)支撐。切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

裂隙巖體在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性以及動(dòng)態(tài)損傷、斷裂特征是研究巖石工程在爆炸荷載以及地震荷載作用下響應(yīng)的重要參數(shù)，也是研究爆炸沖擊波以及地震波在巖石介質(zhì)中傳播以及衰減課題的基本參數(shù)。該項(xiàng)目在深入認(rèn)識(shí)和研究裂隙在動(dòng)荷載作用下擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立荷載速率、圍壓、摩擦系數(shù)以及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)對(duì)裂隙巖體動(dòng)態(tài)損傷局部化影響的理論模型，獲得其數(shù)值求解方法及其有限元分析程序。該模型的特色是考慮了裂隙巖體的變形-強(qiáng)度-應(yīng)力-時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)，掌握荷載速率和裂隙擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，揭示圍壓、摩擦系數(shù)以及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)對(duì)裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響，進(jìn)而確定荷載速率、圍壓、摩擦系數(shù)以及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)對(duì)裂隙巖體的變形和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。該項(xiàng)目的研究成果有助于我們揭示裂隙巖體在爆炸荷載和地震荷載作用下發(fā)生破壞的機(jī)理，并為我國(guó)目前急需的巖體工程抗震設(shè)計(jì)方法提供科學(xué)依據(jù)。