裂隙巖石注漿加固后的疲勞損傷機理研究項目摘要

巖體在周期荷載作用下的力學性能是影響巖體工程長期穩(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，有助于正確認識巖體的破壞機理，科學地評價巖體的長期穩(wěn)定性。本項目以裂隙巖石注漿加固體為研究對象，對注漿加固體的疲勞破壞機理以及損傷演化規(guī)律進行基礎(chǔ)科學研究。通過裂隙巖石注漿加固后的靜動態(tài)加載實驗，分析注漿加固體的強度與變形規(guī)律，揭示裂隙巖石注漿加固后的靜態(tài)加載破壞機理。研究疲勞破壞過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，對比靜態(tài)破壞機理、原裂隙巖石疲勞破壞機理，揭示注漿加固后的疲勞破壞機理。觀測殘余塑性變形、剩余強度和壽命隨循環(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)變之間的對應(yīng)關(guān)系，利用殘余應(yīng)變差來定義損傷變量，推導損傷演化方程，對承受循環(huán)荷載作用的注漿加固巖體進行剩余壽命預測，為采礦、隧道、邊坡等巖土工程注漿加固提供理論和實驗依據(jù)。

注漿加固是地下工程結(jié)構(gòu)事故處理與預防的主要手段，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性，開展注漿加固后巖體的破壞機理研究，是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題，關(guān)于周期荷載下的注漿加固體的力學性能及破壞機理研究尚無系統(tǒng)研究，其疲勞壽命及損傷演化模型尚未建立，本研究基于試驗研究，以注漿加固后的巖石及類巖石材料為研究對象，通過抗彎及抗壓靜態(tài)加載和疲勞加載試驗，揭示注漿加固后的破壞機理，并建立相應(yīng)的疲勞壽命方程和損傷演化模型，本項目研究完成了: (1)探討了樹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應(yīng)力重分布即開裂模式的影響規(guī)律；(2)揭示了樹脂加固含裂隙巖石三點彎破壞機理，研究三種裂隙形式、注漿深度、增韌樹脂對破壞模式的影響規(guī)律；(3)考慮應(yīng)力比對疲勞壽命的影響，建立了壓縮和三點彎疲勞雙對數(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，當應(yīng)力水平小于門檻值，不會發(fā)生疲勞破壞，當循環(huán)比n/Nf達到0.5時，裂隙面橫向應(yīng)變突然迅速增加達到了門檻值導致開裂，與試驗中觀測到的開裂現(xiàn)象一致。(4)應(yīng)力水平是影響疲勞力學性能的主要因素，當應(yīng)力水平較高時，試樣的損傷破壞分為三個階段，即，初始損傷加速階段，裂紋穩(wěn)定擴展階段和裂紋不穩(wěn)定加速擴展階段。而當應(yīng)力水平較低時，損傷破壞退化為二個階段；(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，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合較好。本項目的資助下，共發(fā)表論文9篇，申請專利2項，出國參加國際會議1次并作分組報告，培養(yǎng)碩士研究生2名，另外還有1名在讀碩士研究生。本項目研究成果可為地下及其他巖土工程注漿加固后效果評價提供理論與試驗依據(jù)，為巖土工程事故處理及設(shè)計方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的科學意義和實用價值。 2100433B

本課題針對巖石開挖工程廣泛關(guān)注的爆區(qū)附近圍巖穩(wěn)定問題,開展重復爆破荷載條件下巖石動態(tài)疲勞損傷特性研究。通過設(shè)計一套實現(xiàn)重復爆破荷載加載試驗裝置進行試驗，研究重復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度變化規(guī)律，將裂紋擴展規(guī)律和疲勞累積損傷演化統(tǒng)一起來，定義與多次爆破載荷相對應(yīng)的疲勞損傷因子；并進一步分析研究疲勞參數(shù)對巖石疲勞劣化的機理和對巖石疲勞損傷壽命的影響。通過編制XFEM（擴展有限元）程序?qū)r石動態(tài)疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴展進行數(shù)值模擬研究，為巖石開挖工程圍巖安全控制提供科學依據(jù)和實用手段。

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過程，是一個由包括零件裂紋萌生、擴展和最終斷裂等組成的累積過程所導致產(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展。隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長度(損傷)隨之增加。在達到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴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，裂紋就會沿著最大切應(yīng)力面并通過晶粒邊界擴展。

在工程應(yīng)用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋擴展階段。通常，對從萌生到擴展的過渡階段無法做出精確的定義。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間耗費在裂紋擴展。

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)域擴展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴展開始或者結(jié)束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現(xiàn)出在一個加載循環(huán)期間裂紋擴展的范圍。與樹類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個加載循環(huán)產(chǎn)生一個圈。在發(fā)生疲勞失效時，會出現(xiàn)一個最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最后一點支撐。切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

裂隙巖體在動荷載作用下的力學特性以及動態(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)。該項目在深入認識和研究裂隙在動荷載作用下擴展規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立荷載速率、圍壓、摩擦系數(shù)以及細觀力學參數(shù)對裂隙巖體動態(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-強度-應(yīng)力-時間的關(guān)系。通過理論分析和模型試驗，掌握荷載速率和裂隙擴展速率之間的關(guān)系，揭示圍壓、摩擦系數(shù)以及細觀力學參數(shù)對裂隙擴展規(guī)律的影響，進而確定荷載速率、圍壓、摩擦系數(shù)以及細觀力學參數(shù)對裂隙巖體的變形和強度特性的影響規(guī)律。該項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)生破壞的機理，并為我國目前急需的巖體工程抗震設(shè)計方法提供科學依據(jù)。