循环加卸载力学与声发射特性优化分析

在地下开挖工程中,围岩通常会受到加卸荷应力环境的影响。单轴循环加卸载下的试件力学特性与静态荷载下的力学特性有很大不同,所以有必要对试件在单轴循环加卸载作用下的强度特征及变形规律等进行细致的分析和研究。

(1)应力应变曲线

图2.41为试件单轴循环加卸载试验应力应变曲线,由图可知,曲线随着应力的增加出现了明显的迁移效应,说明随着加卸载循环次数的增加,试件内部损伤不断加剧,曲线在峰值后应力迅速发生跌落,伴随着突然破坏的特征,试件应力-应变曲线在每级应力下卸载完成后重新加载时,加载曲线基本与上级加载曲线斜率保持一致,说明试件具有明显的变形记忆性。随着循环次数的增加,每级加载曲线的斜率逐渐增加。由曲线可以看出卸载曲线相较加载曲线斜率小,每次加载都形成“两端尖、中间宽”的闭合滞回环。由于不可逆塑性变形的存在,每次卸载后变形不能回到原应变值,随着循环次数的增加,滞回环的面积逐渐变大,卸载曲线的斜率逐渐增加,原因是试件在加载过程中新节理与预制节理不断扩展交汇,产生较大的塑性变形,所耗散的能量逐渐增加。

循环加卸载与单轴加载参数,见表2.12。

图2.41　试件单轴循环加卸载试验应力应变曲线

表2.12　循环加卸载与单轴加载参数

(2)峰值强度

从图2.42中可以看出,在不同节理倾角下,循环加卸载抗压强度比单轴压缩依次分别增加了6.89%,4.49%,2.93%,10.29%。对于节理倾角为75°的试件滞回环次数比其他倾角多,抗压强度增加比例也高于其他角度试件,由此可见,循环加卸载对试件有强化作用。随着循环次数的增加,强化作用更为明显,原因在于在加载过程中,新产生的节理面滑移产生的晶粒,在卸载过程中掉落充填到空隙中,提高了节理面之间的摩擦能力,从而提高了试件的抗压强度。

图2.42　不同加载方式抗压强度对比

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图2.43　不同加载方式弹性模量对比

(3)弹性模量

单轴循环加卸载过程中试件的弹性模量随着循环加卸载次数的增加而不断发生变化。两种加载方式弹性模量对比如图2.43所示,在不同节理倾角下,循环加卸载弹性模量比单轴压缩依次分别增加了4.58%,3.93%,4.17%,5.58%,其中,倾角为45°试件增长幅度最低,以图2.10试件不同倾角的试件应力应变曲线为例,采用式(2.12)和式(2.13)进行弹性模量的计算,弹性模量随循环次数的变化规律如图2.44所示。

式中　Ei+——第i次加载阶段弹性模量,Pa;

Ei-——第i次卸载阶段弹性模量,Pa;

σAi,σBi——第i次加载阶段区间内应力,Pa;

σCi,σDi——第i次卸载阶段区间内应力,Pa。

图2.44给出了循环加卸载下的弹性模量变化规律,可以看出,随着循环加卸载次数的增加,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势,每个试件都在第1个循环滞回环弹性模量上上升明显,弹性模量迅速增强,之后加卸载循环滞回环弹性模量继续增大,增速相较之前变慢,循环加卸载到一定程度时,弹性模量开始减少直至被破坏。

图2.44　弹性模量随循环次数的变化规律

弹性模量变化的原因是在第一个加卸载循环中,试件内部节理和预制节理的闭合使其压密,试件内部颗粒之间、颗粒与胶结物之间重新进行了调整和排序,试件未发生宏观破坏。被压密的内部节理部分在卸载过程中未得到释放,致使在下一个加载过程中弹性模量大幅增大,随着循环次数的增加,加卸载应力变大,试件内部节理继续扩展并贯通,产生较大的宏观裂纹,损伤程度不断增加,使试件承载能力下降,弹性模量不断下降直至试件被破坏。