基金项目:湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站开放基金资助项目(2018KTL08); 长江科学院开放研究基金资助项目(CKWV2016377/KY); 三峡大学硕士学位论文培优基金资助项目(2020SSPY021)
第一作者:刘杰(1979-),男,博士,教授,博导,主要从事岩土边坡工程及卸荷岩体力学研究.E-mail:liujiea@126.com 通讯作者:高素芳(1994-),女,硕士,主要从事环境岩土工程勘察设计.E-mail:gaosusu@126.com
(1.三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术中心,湖北 宜昌443002; 2.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌 443002; 3.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)
(1. Engineering Technology Center for Geological Disaster Prevention of Hubei Province, China Three Gorges University,Hubei Yichang 443002,China; 2.Key Laboratory of Geological azards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education, China Three Gorges University, Hubei Yichang 443002,China; 3.BGI Engineering Consultants Ltd., Beijing 100038,China)
cyclic loading and unloading; apparent elastic modulus; classification of hysteresis loops; prediction of hysteresis loops
DOI: 10.15986-j.1006-7930.2020.04.004
基于RMT-150C岩石力学试验系统,研究循环载荷下砂岩的力学响应,基于提出的E(t)=af(t)+b关系式,根据加载段表观弹性模量的变化规律,将非瞬时加载的滞回环形态分为持续增大、持续减小和先增后减三种形态.指出表观弹性模量的变化是由试样内部微裂隙、微孔洞的压密系数a1和滑移展开数a2两种因素共同作用的结果,并结合公式中a=a1+a2值的正负变化分析三种形态滞回环产生机理.根据公式中a值和b值随峰值、加载频率和围压变化存在的规律,可由两个及以上已知滞回环完成对其它任意滞回环的预测,并给出了详细的计算公式及流程,同时对每种不同滞回环的实例进行机理分析.试验证明,本预测方法适用于不同峰值(64~112 kN)、不同加载速率(0.2~20 kN/s)与围压(0~20 MPa)条件下三种不同形态滞回环.
Based on the RMT-150C rock mechanics test system, the mechanical response of sandstone samples under cyclic loading was studied. Based on the proposed E(t)=af(t)+b relation, and according to the change law of apparent elastic modulus of the loading section, the hysteretic loop forms under non-instantaneous loading were divided into three forms: continuous increased, continuously decreased, and first increase and then decrease. It is pointed out that the change of the apparent modulus of elasticity is the result of the joint action of the micro-crack inside the sample, the compression density coefficient a1 of the micro-hole and the slip expansion number a2. In combination with the positive and negative change of a=a1+a2 value in the formula, the mechanism of the three forms of hysteresis loop is analyzed. According to the change law of A value and B value in the formula with the change of peak value, loading frequency and confining pressure, two or more known hysteresis loops can be used to predict any other hysteresis loops, and the detailed calculation formula and process are given. Meanwhile, the mechanism analysis of each different hysteresis loop is carried out. The test results show that the prediction method is applicable to three types of hysteresis loops with different peak values(64~112 kN), loading rates(0.2~20 kN/s)and confining pressures(0~20 MPa).
类岩石材料力学发展的趋势是如何比较正确地、健全地认识岩石的力学属性和变形性态,以及如何比较正确地把握住岩石在各种载荷作用和各种因素影响下的动静态力学响应.而类岩石的滞后行为就是其非线性响应中的一种常见现象.比如,由类岩石缺陷(裂隙、微结构和颗粒接触面等)引起的在应力 - 应变关系测量中偏离胡克定律的非线性弹性滞后行为就是普遍存在的; 应力与轴向应变或径向应变之间存在着滞后,轴向应变与横向应变之间也存在滞后[1].
针对此,国内外学者进行了大量研究.1994年,McCall K R等[2]将由不同成分组成的非均匀材料模型的宏观弹性性质与许多细观的滞回弹性单元联系起来,基于滞后细观特性弹性单元的假设,讨论了准静态应力 - 应变状态方程等.1998年,Tutuncu A N等[3-4]在4种饱和液体饱和的Berea砂岩中观测到应力 - 轴向应变曲线较大的滞回圈,并探讨了在沉积的颗粒状岩石中衰减的机制.席道瑛等[5]研究发现椭圆取向与动态弹性模量有关,这种滞后称之为动滞后,是滞弹性体衰减的特征,且衰减依赖于滞后程度的大小.尤明庆等[6]提出弹性阶段的平均变形模量可以表示材料的变形性质,与应力状态和加载历史无关.陈运平等[7-9]指出加载阶段应变的相位可能超前、并行或落后于应力的相位,在卸载阶段应变总是落后于应力的相位.席道瑛[10]通过实验得知,在加卸载阶段弹性模量随应变变化趋势各不相同,导致瞬时弹性模量与应变成不对称蝴蝶结形.许江、王鸿等[11-14]分析了不同加载速率、不同载荷水平和不同水饱和度下细砂岩加卸载曲线的二次拟合参数,滞回环的面积及周长的变化规律.刘建锋等[15]针对泥质粉砂岩进行单轴多级循环加卸载试验,结果表明,动应变相位始终滞后于动应力相位,滞回环在荷载反转处并非椭圆形而是尖叶状.陈运平和王思敬[16]同时指出,当应变振幅超过临界值(约为10-6)时,由于微塑性的存在,滞回环将产生畸变,不是标准的椭圆形.邓华锋等[17]研究发现:应力 - 应变滞回圈的形态与加卸载的频率和幅值有关,频率越大则越饱满,幅值越大则越狭长.
从国内外的研究可以看到,对于滞回环形状存在一定的争议,研究学者大多集中于对滞回曲线形状、面积等整体特征的研究,鲜有对滞回环曲线分类并对其变化机理进行研究,从毫秒级应力变形断层面对滞回环形成机理规律进行系统深入分析的文献鲜见.
针对此,提出表观弹性模量E(t)=af(t)+b的概念,表观弹性模量与切线模量定义相同,由于加卸载中E(t)的变化在应力速率和应变速率不同步区域并不能真实反映岩样的切线模量变化特征,因此可通过分析滞回环形态所反应的表观弹性模量的变化,将滞回环形态进行分类,并对滞回环形态的产生机理进行分析.
1.
基于RMT-150C岩石力学试验系统(如图1所示),进行循环加卸载试验,该体统进行单轴、三轴、拉伸和剪切等试验,可采用位移控制、行程控制和荷载控制三种控制方式.根据该系统进行相关试验以后所测得的原始数据我们定义相邻两测点间连线的斜率作为表观弹性模量E(t),即
Δσ/Δε=E(t)(1)
式中:Δσ为该段的应力差值; Δε为该段的应变差值; t为该连线的起点时刻.
根据前期试验得到峰值为96 kN下砂岩(如图2所示)在不同波形与0.1 Hz加载频频率下,表观弹性模量随时间的变化关系图.图2 砂岩加载0.1 Hz频率不同波形下E(t)随时间变化关系
Fig.2 Relationship betweenE(t)and time variation of loads 0.1 Hz frequency
E(t)=af(t)+b(2)
a=dE(t)/df(t)(3)
式中:a表征加载力峰值增大时岩样被压密的程度,a值为正值时抗变形能力强,反之则弱,从而表观弹性模量反映了砂岩的抗变形能力; 拟合系数 b表示f(t)=0时岩样轴向抵抗变形的能力,即轴向此时的切线模量.
滞回环卸载段表观弹性模量均减小,不能作为形态区分的依据.除瞬时加载条件外(如图3方波加载条件下砂岩滞回环),根据加载段表观弹性模量变化趋势,将滞回环形态分为Ⅰ型:持续增大、Ⅱ型:持续减小和Ⅲ型:先增后减三种形态,由此提出用表观弹性模量变化对滞回环形态分类的方法.
图3 强风化砂岩22 kN峰值循环载荷下滞回环图
Fig.3 Hysteresis loop diagram of strongly weathered sandstone under 22 kN peak cyclic load
单轴循环加载过程中,表观弹性模量的变化来源于试样内部裂隙和孔洞的压密和滑移两种作用:循环加载过程中,试样内部的微裂隙和微孔洞逐渐压密,试样的抗变形能力增强; 循环加载的过程中,试样内部的裂隙开展滑移错动,试样抗变形能力减弱.
由E(t)=af(t)+b知,若a>0,则E(t)持续增加,若a<0,则E(t)持续减小.而实际加载过程中E(t)的变化由试样内部裂隙和孔洞的压密和滑移两种作用共同产生,即a=a1+a2,其中试样内部裂隙孔洞的压密作用下a1>0,试样内部微裂隙的滑移错动作用下a2<0,可分为下面三种情况;
①当|a1|>|a2|,即压密作用较滑移错动作用更明显时,a=a1+a2>0,表现为表观弹性模量持续增大,如图4(a)所示; ②当|a1|<|a2|,a=a1+a2<0,表现为表观弹性模量持续减小,如图4(b)所示; ③若加载过程中,试样内部微裂隙和孔洞逐渐压密,抗变形能力增强,则a=a1+a2>0,加载至一定程度时,内部微裂隙和孔洞滑移错动,试样抗变形能力变弱,则a=a1+a2<0,表观弹性模量先增后减,如图4(c)所示.
(1)Ⅰ型:表观弹性模量持续增大(如图5所示)
图5 Ⅰ型:花岗岩试件循环加卸载下试件的应力 - 应变图[18]
Fig.5 Type I:Stress-strain diagram of specimen under cyclic loading and unloading of granite specimen[18]
(2)Ⅱ型:表观弹性模量持续减小(如图6所示)
图6 Ⅱ型:三峡库区重庆段砂岩[19]
Fig.6 Type Ⅱ:Chongqing section sandstone of the three gorges reservoir area[19]
(3)Ⅲ型:表观弹性模量先增后减(如图7所示)
图7 Ⅲ型:C30混凝土循环加卸载应力应变曲线
Fig.7 Type Ⅲ:Stress-strain curve of C30 concrete cyclic loading and unloading
针对岩石在不同情况下(不同峰值强度、不同加载速率及不同围压)循环加卸载在一定范围内应力应变曲线的预测,具体步骤如图8所示.
图8中,E(t)为表观弹性模量,f(t)为即时轴向荷载,l(t)为即时轴向长度,a为一次项系数,b为常数项系数.i为循环次数,△εn为第n次循环应变增值,△σn为第n次循环应力增值,σn为第n次循环应力值,σ0为初始应力值,εn为第n次循环应变值,ε0为初始应变值.根据E(t)=af(t)+b对已知循环曲线a、b值进行统计,得出a、b随峰值、加载速率与围压的变化规律,推导出未知曲线的a、b值,反推E(t)随时间的变化关系,再由已知的f(t)或l(t)算出相应的Δσ、Δε,最后由得出的差值与初始值叠加,直到得出完整的应力 - 应变数据,作出应力应变曲线图.
本文选取三种滞回环形态中最复杂的先增后减为例,进行计算公式的推导分析.
预测段主要分为加载段与卸载段两部分,实际上,加载段存在表观弹性模量减小的阶段,可称为微屈服段.在岩石曲线预测过程中此段在整个循环中占比较小故没考虑.但在混凝土循环加卸载过程中在采用应变控制条件下,此段在循环曲线中所占比例较大,因此在进行曲线预测的过程中必须单独考虑.据此为了更好构建循环荷载应力 - 应变曲线的预测,将单个循环曲线分为两部分:加载段和卸载段进行研究,如图9所示.
根据表观弹性模量的定义,试验系统测出的数据中定义相邻两测点间连线的斜率为表观弹性模量为(1),由作者前期研究,提出假定表观弹性模量和垂向荷载存在线性变化的关系为(2)、(3).(1)在荷载控制条件下
假设加载时间区间为(t1,t2); 卸载时间段为(t2,t3).已知加卸载段的荷载随时间的变化关系为f(t).表观弹性模量与应力应变的关系推导如下式所示.
①加载段:
E(t)=(Δσ)/(Δε)=axf(t)+bx(4)
Δσ=(df(t))/(dt·S),Δε=(dl)/(dt·L)(5)
由式(4)~(5)得
(dl)/(dt)=((df(t))/(dt·S))/(axf(t)+bx)(6)
则
l(t)=l(t1)+∫tt1(dl)/(dt)dt
=l(t1)+∫tt1L/S·((df(t))/(dt))/(αxf(t)+bx)dt(7)
ε1(t)=1/L[l(t1)+∫t2t((df(t))/(dt))/(ax加f(t)+bx加)dtL/S]
=(l(t1))/L+1/S∫t2t((df(t))/(dt))/(ax加.Sσ+bx加)dt,
t∈(t1,t2)(8)
式(8)为对类岩石材料在荷载控制条件下加载段即时应变预测公式.
②卸载段:
同理可得卸载段应变预测公式如下.
ε2(t)=(l(t2))/L+1/S∫tt2((df(t))/(dt))/(ax卸·Sσ+bx卸)dt;
t∈(t2,t3)(9)
其中:l(t1)、l(t2),分别为荷载控制条件下加载段的位移初始值与卸载段的位移初始值(加载段预测的终值); ax加1、ax卸分别为第x个循环下加载段及卸载段所预测的a值; bx加1、bx卸分别为第x个循环下加载段及卸载段所预测的b值; S、L分别为试件的受压面面积与高度.
(2)在位移控制条件下
假设加载时间区间为(t1,t2); 卸载时间段为(t2,t3).已知加卸载段的荷载随时间的变化关系为l(t).根据前文可知表观弹性模量与应力应变的关系进行推导,如下式所示.
①加载段:
由
E(t)=(Δσ)/(Δε)=axl(t)+bx=((df(t))/(dt·S))/((dl)/(dt·L))(10)
得
(df)/(dt)=(dl·S)/(dt·L)[axl(t)+bx]
则
f(t)=f(t1)+∫tt1(df)/(dt)dt
=f(t1)+∫tt1S/L·(dl)/(dt)[axl(t)+bx]dt(11)
即
σ1(t)=1/S{f(t1)+∫tt1S/L·(dl)/(dt)[axl(t)+bx]dt}
=(f(t1))/S+1/L·∫tt1(dl)/(dt)[ax加εL+bx加]dt,t∈(t1,t2)(12)
②卸载段:
同理可得卸载段应力预测公式如下.
σ2(t)=(f(t2))/S+1/L·∫tt2(dl)/(dt)[ax卸εL+bx卸]dt,
t∈(t2,t3)(13)
其中:f(t1)、f(t2)分别为位移控制条件下加载段的荷载初始值与卸载段的荷载初始值(加载段预测的终值).
加载下降段仅适用于加载分段情况下的预测公式.
算例如下:
加载段f(t0)=15.66 kN,则
E(t1)=13.311 9 GPa,L=100 mm,S=πR2=3.141 5×252mm2=1 963 mm2;
Δσ(t1)=(Δf(t1))/S=(f(t1)-f(t0))/(πR2)
=((15.74-15.66)kN)/(1 963 mm2)=0.040 8 MPa;
Δε(t1)=(Δσ(t1))/(E(t1))=(0.040 8 MPa)/(13.311 9 GPa)=3.061 5×10-6.根据前一个循环终点位移可知:ε(t0)=4.5672×10-3; ε(t1)=ε(t0)+Δε1=4.570 2×10-3,其中, f(t1)、f(t2)为相邻时刻下垂直力.
下面给出部分计算结果,如表1所示.
以300 mm混凝土试件300-1的计算过程为例,根据上述步骤可得出混凝土试件循环加卸载曲线的系数a、b值,如下图所示:
由上图中a、b变化规律,可知加载段a值满足关系式:y=y0+A1e-(x-x0)/t1,b值呈现线性变化趋势,满足y=A+Bx,其中,x表示循环数.因此,可以得出拟合曲线见图 10.
图 10 试件300-1加载段与卸载段a,b值拟合曲线
Fig.10 Specimen 300-1 loading section and unloading section a,b value fitting curve
表2 试样300-1各循环加卸载段内的a、b值统计
Tab.2 Samples 300-1 of each cycle loading and unloading section of the a, b value statistics
根据公式计算试件随荷载的作用每个时间间隔内的应力应变差值,得到整个循环曲线的应力应变值,最终还原为试件的应力应变曲线,预测得出试件预测曲线,如图 11.
图 11 试样300-1预测与实际应力应变曲线对比图
Fig.11 Specimen 300-1 loading section and unloading section a value fitting curve
(1)a、b值的预测
加载段表观弹性模量持续增大的滞回圈预测分析同2.2.1中先增后减类型滞回圈中的预测分析.由公式E(t)=af(t)+b,根据试验数据可得出循环加卸载下峰值分别为64 kN、84 kN与104 kN下加载段与卸载段的a、b值,进行a、b值的曲线拟合(如图 12所示),最终推导出74 kN与94 kN的a、b值,如表3.
(2)实际值与预测值的对比分析
根据表观弹性模量公式E(t)=af(t)+b可反推E(t)值后,通过公式E(t)=Δσ/Δε就可计算得出应变值.对74 kN与94 kN峰值下分别进行加载段与卸载段的应力应变的预测,从而通过三个曲线的拟合分析预测两个曲线,得出的预测值与实际应力应变的对比值如图 13所示.
图 12 不同峰值下加载段与卸载段a、b拟合规律图
Fig.12 The fitting pattern of loading and unloading section a and b under different peaks
加载段表观弹性模量持续减小的滞回环预测分析同2.2.1中表观弹性模量先增后减类型滞回圈中加载段2的预测分析.由泵油饱和南京砂岩的应力 - 应变曲线,如下图 14所示,根据试验原始数据可以得出相应的竖向荷载和弹性模量,得出循环加卸载下加载段与卸载段的荷载 - 弹性模量曲线,如图 15,由表观弹性模量公式E(t)=af(t)+b,可求得加载段和卸载段的a、b值,如表4.
根据公式E(t)=af(t)+b可反推E(t)值后,由E(t)=Δσ/Δε就可计算得出对应的应变值,通过本预测方法完成了对表观弹性模量持续减小的滞回环的预测,如图 16所示,由本预测方法所得的应力 - 应变曲线与实际曲线的对比可知,所得预测曲线与实际曲线吻合度较高,从而验证了本方法对滞回环预测的可行性.
图 15 饱和南京砂岩加载段荷载 - 弹性模量线性关系图
Fig.15 Linear correlation diagram of load-elastic modulus of saturated nanjing sandstone loading section
(1)基于单轴循环加卸载试验首次提出表观弹性模量的概念,即E(t)=Δσ/Δε,根据加载段表观弹性模量的变化趋势,滞回环形态可以分为持续增大、持续减小和先增后减三种形态,而卸载段表观弹性模量均持续减小.
(2)单轴循环加载过程中,表观弹性模量的变化是由试样内部裂隙和孔洞的压密和滑移两种作用因素共同作用的结果.由E(t)=af(t)+b知,若a>0,则E(t)持续增加,若a<0,则E(t)持续减小.而实际加载过程中E(t)的变化由试样内部裂隙和孔洞的压密和滑移两种作用共同产生,即a=a1+a2,其中试样内部裂隙孔洞的压密作用下a1>0,试样内部微裂隙的滑移错动作用下a2<0,①当|a1|>|a2|,即压密作用较滑移错动作用更明显时,a=a1+a2>0,表现为表观弹性模量持续增大; ②当|a1|<|a2|,即滑移错动作用较压密作用更明显时,a=a1+a2<0,表现为表观弹性模量持续减小; ③若加载过程中,试样内部的微裂隙和孔洞逐渐压密,抗变形能力增强,则a=a1+a2>0,持续加载到一定程度,试样内部的微裂隙和孔洞发生滑移错动,试样抗变形能力由强转弱,则a=a1+a2<0,滞回环形态表现为表观弹性模量先增大后减小.
(3)提出了分别针对荷载控制与位移控制下曲线加卸载段应力应变的关系式.
(4)针对三种形态滞回环,完成了已知滞回环对未知滞回环的预测,并得出了不同峰值、不同加载速率与围压下a、b值的变化规律.试验证明,不同峰值、加载速率与围压下a值和b值存在线性的变化规律,通过两个或两个以上已知滞回环即可完成对其它任意滞回环的预测,并给出了详细的计算公式及流程,本预测方法适用于三种不同形态滞回环,并且可以运用于不同峰值、不同加载速率与围压.