循环载荷作用下砂岩滞回曲线演化规律的实验研究

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1、http://www.paper.edu.cn♣循环载荷作用下砂岩滞回曲线演化规律的实验研究许江王鸿姜永东杨红伟（重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆，400044）E-mail：jiangxu@cqu.edu.cn摘要：通过对处于不同位移速率、不同应力水平、不同围压以及不同水饱和程度下的砂岩在循环载荷作用下的应力应变曲线及其滞回环的周长与面积随循环次数的演化规律的研究，探讨了循环载荷作用下岩石滞回曲线的演化规律。研究结果发现，除砂岩在第1次循环的应力应变曲线滞回环的周长和面积与其第2次循环的周长和面积相差较大外，从第2次循环起，随着循环次数的增加，每次循环所得到

2、的应力应变曲线滞回环的周长与面积大致相同，但存在逐渐减小的趋势，并逐渐趋于稳定。关键词：循环载荷；滞回曲线；砂岩；实验研究1.引言众所周知，岩石是由多种矿物组成的天然集合体，岩石力学的重要研究领域之一就是如何正确把握岩[1-4]石在外载荷作用下的变形演化特性以及在各种因素影响下的动、静态力学响应。目前，已有不少专家学者就有关岩石在各种不同试验研究条件下的变形与破坏特性及其相关理论分析进行了大量的分析研究，如［5,6］Tutuncu等开展了在单轴应力条件下，循环载荷对饱和沉积岩的频率和应变振幅效应的影响研究，并[7]具体观测了在4种不同液体饱和的砂岩的应力-应变曲线的滞回曲线。Memey在

3、0.005～4.000Hz频率范围内，对干燥、饱水、泵油、泵油加沥青饱和的砂岩、大理岩等进行了垂直层理和平行层理两个方向的正[8,9]旋波加载试验，研究了其各向异性和非线粘弹性。许江等通过不同加载速率和不同应力水平的周期性循环载荷作用下细粒砂岩的加、卸载曲线二次拟合参数的变化规律研究，探讨了岩石在周期性循环载荷作用下滞回曲线的变化规律。这些研究成果显然都是从某一方面展开的，缺乏系统深入地对岩石在循环载荷作用下变形曲线滞回环演化规律的研究，本文拟通过对砂岩在循环载荷作用下每次循环所形成的应力应变曲线滞回环的周长及其面积随循环次数的演化规律的研究，探讨循环载荷作用下岩石应力应变曲线滞回环的演

4、化规律。2.实验方法选取重庆市内某工程边坡的砂岩为研究对象，并采用湿式加工法将所采集的砂岩样加工成φ50×1003mm的圆柱体试件。实验以MTS815岩石力学试验系统作为动力设备（参见图1a），其纵向载荷由安装在试验系统上的荷重计测定，纵向位移则采用与试验机配套的位移引伸计测定（参见图1b）。实验时考虑了以下几种典型实验条件：¾3种不同位移速率：0.05mm/min、0.10mm/min和0.20mm/min¾3种不同应力水平:0-0.45σc、0.25σc-0.70σc、0.45σc-0.90σc¾4种不同围压(σ2=σ3)：0MPa、20MPa、40MPa和60MPa¾3种不同水饱和

5、度：烘干状态、自然干燥状态和饱水状态实验过程中，首先测定砂岩的单轴抗压强度σc以便确定相应的上、下限应力水平，然后再针对上述不同实验条件，按下述加、卸载路径进行循环加、卸载(参见图2)：¾第1步：将纵向载荷以相应位移速率从零加载到与上限应力水平相对应的载荷水平，再以相同位移速率将其卸载至与下限应力水平相对应的载荷水平；♣基金项目：教育部博士点基金资助项目（20060611006）；国家自然科学基金资助项目（50574108）；国家自然科学基金重点项目（50534080）作者简介：许江(1960-)，男，湖南永兴人，博士，西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室副主任，重庆大学教授（

6、博导）,主要从事有关岩石力学与工程方面的教学与研究工作。1http://www.paper.edu.cnaMTS815岩石力学试验系统b位移引伸计图1MTS815岩石力学试验系统及其配套的位移引伸计图2载荷路径示意图¾第2步：再将纵向载荷以相同位移速率从与下限应力水平相对应的载荷水平加载到相应的与上限应力水平相对应的载荷水平后，再以相同位移速率将其卸载至与下限应力水平相对应的载荷水平，完成第2次循环实验；¾第3步：不间断地重复第2步，直至完成规定次数的循环实验；¾第4步：以相同位移速率连续加载至试件产生宏观破坏；¾第5步：更换试件，并改变实验条件，重复第1～4步实验步骤。3.实验结果分析

7、3.1循环载荷条件下应力应变曲线一般特征分析图3a具体给出了处于自然干燥状态时的砂岩在单轴应力状态下位移速率为0.10mm/min、应力水平为0.45σc-0.90σc的典型应力应变曲线，尽管从该图中可以看出，由于岩石自身的非线性特性，砂岩在循环载荷作用下的卸载曲线与加载曲线不相重合，其应力应变曲线将形成一封闭的滞回曲线（即滞回环），且除第1次循环的滞回曲线与第2次循环及其以后循环的滞回曲线相比存在较大的差异外，从第2次循环开始，其