周期荷载作用下花岗岩的疲劳损伤特性分析与研究

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1、南华大学硕士学位论文周期荷载作用下花岗岩的疲劳损伤特性分析与研究姓名：吴献强申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：丁德馨20070501I摘摘 要要 本文利用 RMT-150B 岩石力学试验系统，分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的实验方法，进行了不同加载条件下花岗岩的疲劳试验。分别从宏观和微观两方面，对周期荷载作用下花岗岩疲劳损伤特性进行了深入地分析。研究了周期荷载作用下花岗岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律。并取得了如下成果： （1）周期荷载作用下花岗岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积，直到其破坏的过程，微观上

2、是一个微裂纹萌生、扩展和贯通，最终断裂破坏的过程。 （2）周期荷载作用下花岗岩轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三个发展阶段：初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段。三个阶段的变形累积导致了其最终的破坏，三个阶段变形的总和构成了疲劳过程的总变形。 （3）周期荷载作用下，花岗岩的疲劳破坏过程受到静态应力-应变全过程曲线的控制，破坏点的应变与周期荷载上限应力所对应的静态曲线峰后曲线上那一点的应变相当，且适用于不同的加载条件。 （4）周期荷载的上限应力和振幅对花岗岩的轴向不可逆变形发展有重大影响，是影响花岗岩疲劳破坏过程的主要因素。 （5）周期荷载作用下花岗岩的宏观疲劳破坏现象是岩石内部

3、微观损伤的综合反映，每个宏观的疲劳现象都有与之对应的微观解释。 关键词关键词：花岗岩 周期荷载 疲劳 损伤 应力-应变曲线 IIAn investigation into the fatigue and damage characteristics of granite under cyclic loading Abstract This paper utilized rock mechanics test equipment RMT-150B, using twodifferent test methods one is changing the maximum of cyclic load

4、 with the minimum of cyclic load fixed and the other is changing the minimum of cy-clic load with the maximum of cyclic load fixed, have made granite testing under the different cyclic loading conditionsFrom both macroscopic mechan-ical property and micromechanics damage aspects, this paper analyzed

5、 the fa-tigue and damage law of rock under cyclic loadingThis paper study the fatigue characteristics、the axial strain accumulation rule and the irreversible deformation development law of granite under the different cyclic loading conditions and gives the relevant results (1)The macroscopic process

6、 of rock fatigue failure is the development ofirreversible axial deformation, which finally leads to the destruction of rock sampleIn the view of micro-mechanics damage, the process is the growth and development and fracture of microcrack (2)The development of irreversible deformation can be divided

7、 into threephases which dont depend on the cyclic loading conditions，that is，initial phase, uniform velocity phase and accelerated phaseThe accumulative defor-mation at three stages will lead to the final failureThe accumulative defor-mation of the three phases make up of the complete deformation of

8、 the fatigue process (3)The fatigue failure curve is controlled by complete stress-strain curve under static loading The terminal strain of fatigue failure is equal to that of IIIpost peak corresponding to the maximal cyclic loadThe law adapt to the different cyclic loading conditions. (4)The amplit

9、ude and maximum of cyclic load are the most important factors influencing on fatigue failure and fatigue lifespan of granite (5)The macroscopic mechanical behavior can be reflected through the evolution of micromechanics damage and every macroscopic fatigue behavior can be explained by the micromech

10、anics damage Wu Xianqiang (Structural Engineering) Directed by Professor Ding Dexin Key words granite cyclic loading fatigue damage stress-strain curve 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明

11、确的说明。 本文的试验数据，是本文作者、导师和生产单位经过巨大努力通过测试获取的。如有作者需要引用，须经三者书面同意，否则可视为侵权。 作者签名： 日期： 年 月 日 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日1第一章第一章 绪绪 论论 1.1 问题的提出问题的提出 疲劳是指材料在循环荷载作用下所发生性能的劣化，任何机械运动都难以避免疲劳的产生

12、，它是材料、构件和结构最主要的破坏形式之一。自从 1829年德国采矿工程师 W.A.J.Albert 提出第一个疲劳问题的研究报告以来，人们对疲劳问题的研究已经持续了近两个世纪，发现并掌握了大量的材料疲劳破坏的规律和特性，目前，在机械、交通、铁道、航天、航空等领域，以疲劳可靠性为基础的设计和验算方法已经被广泛的采用1,2,3。然而，这并不意味着材料疲劳问题已全部解决，人们对该领域的很多问题如疲劳断裂机理、疲劳裂纹的扩展过程、疲劳损伤的发展以及变幅荷载和复杂应力作用下的疲劳寿命估算等诸多问题的认识还有待进一步深入。 并且， 随着动力机械运转速度的不断提高、材料使用寿命的不断延长以及新型轻质高强材

13、料的应用，材料疲劳问题也越来越成为设计者必须重点考虑的问题。所以，尽管材料的疲劳是一门老学科，但涉足该领域的科技工作者却有增无减，一方面进一步研究材料的疲劳破坏规律，另一方面寻求提高材料疲劳寿命的有效途径。 在土木工程领域里，岩石材料是应用最为广泛的材料之一，其力学性能直接影响着工程的质量与安全。从人们开始应用它以来，对其的研究就没有停止过，经过一个多世纪的研究，人们对其静力学特性已有了较为深刻的认识。然而， 在工程实际中， 岩石经常会在循环荷载的作用下工作， 如岩石作为桩基础、核动力基础、机械设备基础和公路铁路路基时。目前，岩石在周期荷载作用下的疲劳特性已经开始受到人们的广泛关注。岩石在循环

14、荷载作用下的强度、变形规律和破坏机理都与静态荷载作用下的有显著不同，因此，研究周期荷载作用下岩石的疲劳特性对确保岩体工程的质量与安全有着十分重要的意义，所以，这就涉及到一个新的急待解决的研究课题岩石疲劳问题。 尽管人们对疲劳损伤问题的研究已有近两个世纪的历史，已取得了丰硕的成果，然而这些成果多数是针对金属和混凝土材料疲劳研究，针对岩石材料疲劳问题的研究却为数不多。然而，岩石本身的特征决定了岩石有着与金属和混2凝土材料不同的疲劳特性，到目前为止，人们对周期荷载作用下岩石疲劳特性的研究还不多，还是一个备受关注的前沿课题之一 18。 在重复荷载作用下，岩石将承受重复应力和应变的反复作用，在这样的受力

15、情况下，即便是在低于静载强度荷载作用下亦会发生破损或失效，这种现象称为疲劳破损或疲劳失效2,4。为了更好地了解循环荷载作用下岩石的疲劳特性，我们有必要对岩石疲劳破坏的整个过程做深入地研究分析。而且，花岗岩在我国分布广、利用高，所以针对花岗岩疲劳特性的研究显得尤为重要，故，本文针对花岗岩进行了系统的实验研究，并对其疲劳特性进行了深入的分析研究。 1.2 疲劳问题研究的历史与现状疲劳问题研究的历史与现状 人们最早遇到的疲劳问题是在十九世纪初，当时铁路运输已有所发展，机车车轴的疲劳破坏，成为当时工程上遇到第一个疲劳强度问题。在随后的两个多世纪里人们就没有停止过对金属材料的疲劳问题的研究。20 世纪初

16、，由于混凝土材料在工程中的大量应用，有大量的混凝土和钢筋混凝土结构承受着疲劳荷载的作用，从 70 年代人们对其进行了大量的实验研究，并取得了巨大的成果，目前，以疲劳可靠性为基础的结构设计已广泛应用于工程设计之中。在近几十年来，岩石材料在工程的广泛应用，在很多结构中岩石承受着疲劳荷载，越来越多因疲劳引起的工程事故的不断发生，岩石疲劳问题引起了人们的关注，有诸多学者投入到岩石的疲劳特性实验研究之中，到目前为止，也取得一定成果。本文在参考大量的文献基础上，按照人们对疲劳研究的发展历程，分别对金属材料、混凝土材料和岩石材料的疲劳研究历史和现状进行了综述。 1.2.1 疲劳研究历史疲劳研究历史 有记载的最早疲劳实验是1829年，德国采矿工程师阿尔倍特（W.A.J. Albert）做的铁链的重复荷载实验，并提出了第一个疲劳问题的研究报告1,2。19世纪30年代，铁路在