岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (6): 1693-1704.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1463

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

循环加卸载下砂岩变形破坏特征与能量演化研究

李欣慰1, 2,姚直书1, 2,黄献文1, 2,刘之喜1, 2,赵翔1, 2,穆克汉1, 2   

  1. 1. 安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2. 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001
  • 收稿日期:2020-09-29 修回日期:2021-02-08 出版日期:2021-06-11 发布日期:2021-06-16
  • 通讯作者: 姚直书,男,1963年生,硕士,教授,博士生导师,主要从事地下结构方面的研究。E-mail: yao.zs@163.com E-mail:15910237201@163.com
  • 作者简介:李欣慰,男,1995年生,博士研究生,主要从事岩石非线性力学及能量演化方面的研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51674006,No.51778004)

Investigation of deformation and failure characteristics and energy evolution of sandstone under cyclic loading and unloading

LI Xin-wei1, 2, YAO Zhi-shu1, 2, HUANG Xian-wen1, 2, LIU Zhi-xi1, 2, ZHAO Xiang1, 2, MU Ke-han1, 2   

  1. 1. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science & Technology, Huainan, Anhui 232001, China; 2. Research Center of Mine Underground Engineering of Ministry of Education, Anhui University of Science & Technology, Huainan, Anhui 232001, China
  • Received:2020-09-29 Revised:2021-02-08 Online:2021-06-11 Published:2021-06-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51674006, 51778004).

摘要: 对砂岩进行单轴加载和单轴循环加载试验,得到了循环加卸载作用下砂岩残余变形、变形模量和侧膨胀系数的变化规律,以及岩石的输入能、弹性能、耗散能、阻尼能和损伤能等能量指标的演变规律。利用归一化的损伤能表征砂岩的损伤演化,分析了宏观、微观角度下的岩石的破坏模式。研究表明:在循环荷载作用下,残余变形呈现出减速累积-稳定累积-加速累积的趋势;砂岩的变形模量先增加再减小,侧膨胀系数基本与循环次数正相关;输入能、损伤能均呈U型分布,损伤能占耗散能的比例呈U型分布,阻尼能呈先减小再增加的趋势,阻尼能占耗散能的比例呈倒U型分布,弹性能总体上呈缓慢增加趋势,弹性能占输入能比例呈倒U型分布;随着应力比的提高,阻尼能提高,但阻尼能占比呈减少趋势;砂岩的损伤呈减速累积-稳定累积-加速累积三阶段发展,砂岩破坏总体上呈现出共轭斜面剪切?拉伸型复合破坏模式,破坏由失稳破坏向失效破坏转化

关键词: 残余应变, 变形模量, 侧膨胀系数, 能量指标, 损伤演化, 破坏模式

Abstract: The uniaxial compression and uniaxial cyclic loading and unloading tests were carried out on sandstone, and the variation laws of residual deformation, deformation modulus and lateral expansion coefficient under cyclic loading were obtained. In addition, the evolution laws of the rock input energy, elastic energy, dissipation energy, damping energy, damage energy and other energy indicators were determined. The normalized damage energy was used to characterize the damage evolution of the rock and analyze the failure modes from the macro and micro perspectives. Studies have shown that: under cyclic loading and unloading, the residual deformation exhibits a trend of deceleration-stabilization-acceleration increase. The deformation modulus of sandstone first increases and then decreases, and the lateral expansion coefficient is basically positively correlated with the number of cycles. The input energy, damage energy and the proportion of damage energy to the dissipation energy have the U-shaped distribution. Moreover, a decrease is first observed in the damping energy followed by an increase, and the proportion of damping energy to dissipation energy has the inverted U-shaped distribution. Additionally, the elastic energy generally grows slowly, and the proportion of elastic energy to input energy has the inverted U-shaped distribution. The damping energy increases with the increase of stress ratio, while the proportion of damping energy decreases. The damage of sandstone develops in three stages: deceleration-stabilization-acceleration. The compound failure mode combining shear failure and tension failure in the conjugate inclined plane is generally found in the sandstone, and the failure transforms from unstable damage to failure damage.

Key words: residual strain, deformation modulus, lateral expansion coefficient, energy index, damage evolution, failure mode

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