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摘要：岩石可视为一种非均质的多相复合结构材料，内部存在大量随机分布的天然缺陷。作为岩土工程的基础材料，岩石的变形已成为各类工程与结构稳定性的主要控制指标之一，故研究岩石的变形破坏规律对于岩土工程正常运营及灾害预测具有至关重要的作用。
关键词：等幅循环加载；数字散斑相关方法；非均匀变形；滞后；变形累积
引言
为了研究循环加载条件下岩石的变形演化规律，开展了红砂岩试件的等幅循环加载与分级等幅循环加载试验。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集，基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件的非均匀变形演化规律。研究循环加载作用下岩石的非均匀变形演化规律，可为岩石破坏提供新的前兆信息。
1等幅循环加载试验概况
试验选用红砂岩制作50mm×50mm×100mm的长方体试件，试件表面采用喷漆制作人工散斑场。试验过程中利用伺服压力试验机对试样进行单轴等幅循环加载试验，运用CCD相机、计算机、压力机组成试验系统。压力机、CCD相机同时启动，压力机自动记载荷载、位移、时间等数据，CCD相机在单轴循环加载全过程中对试件表面的散斑图像进行连续采集。采集速率为2帧/s。图像分辨率为1600pixel×1200pixel，其物面分辨率皆为0.1mm/pixel。等幅循环加载与分级等幅循环加载试验皆采用荷载控制的方式进行，加卸载速率皆为0.2kN/s。等幅循环加载试验过程设计为试件在28~70kN之间反复循环加卸载直至破坏，选用1组典型试件的试验结果进行分析。试验共进行了17次完整加卸载，在第18次循环卸载时发生破坏，破坏时荷载为68.2kN。分级等幅循环加载试验的加载路径设置为：第1个10次循环加载峰值荷载为45kN，卸载至29kN；第2个10次循环加载峰值荷载为60kN，卸载至29kN；此后每10次循环其加载峰值荷载在前10次循环的基础上依次增加7.5kN，卸载最低值仍然为29kN，直至试件破坏为止。
2非均匀变形演化分析
2.1等幅循环加载试验变形场演化分析
以初始时刻的散斑图像作为参考图像，以第4，8，12，16次循环加载顶点以及最后1次循环即第18次循环加载顶点和破坏前瞬间的散斑图像作为变形图像，运用数字散斑相关方法对其进行计算，在第4次循环加载顶点时，于试件中部x=15mm，y=70mm附近出现非均匀变形集中带，在试件左下角也出现了非均匀变形局部集中现象，其最大剪切应变量为2.23×10-3。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆到第8次循环加载顶点时，在同样的位置出现变形集中，但其最大剪切应变量值为2.35×10-3，数值有所增大。随着循环次数的增加，非均匀变形场继续演化，到第12次循环加载顶点时，最大剪切应变量为2.82×10-3，第16次循环加载顶点时，最大剪切应变量增加到4.3×10-3，到最后1次循环即第18次循环的加载顶点时，在试件中部x=20mm处出现1条明显且量值较大的变形局部化带，最大剪切应变量为1.38×10-2。试件在第18次循环卸载阶段发生破坏前瞬间，形成1条贯穿整个试件的变形局部化带，最大剪切应变量达到3.13×10-2。岩石试件沿着该变形局部化带产生宏观裂纹，进而导致试样破坏失稳。
2.2分级等幅循环加载试验变形场演化分析
选取初始时刻的散斑图像作为参考图像，以第5，10，15，20，25，30，35，40次循环加载顶点以及破坏前瞬间的散斑图像作为变形图像，运用数字散斑相关方法对其进行分析计算，第5次循环加载顶点时的最大剪切应变量值为1.24×10-3，数值较小，此时试件整体变形较为均匀。第10次循环加载顶点时，在试件左下角y=8mm附近出现非均匀变形局部集中现象，但范围较小，其最大剪切应变量为1.46×10-3。随着分级等幅循环加载峰值应力的增加，其最大剪切应变量也逐渐增大，第15次循环加载顶点时的最大剪切应变量为2.87×10-3，第20次循环加载顶点时的最大剪切应变量为3.10×10-3，此时在试件左下角形成了较为明显的非均匀变形集中带即变形局部化带。在接下来的分级循环加载过程中，变形局部化带越来越明显，其最大剪切应变量值也越来越大，从第25次循环顶点时的4.45×10-3增加到第30次循环顶点时的5.16×10-3从35次循环顶点时的7.33×10-3增加到第40次循环顶点时的1.01×10-2局部化带不断延伸、拓展，最终在第41次循环过程中发生破坏，破坏前瞬间其最大剪切应变量达到1.63×10-2。综上分析可知，岩石试件在等幅循环加卸载和分级等幅循环加卸载过程中，随着循环次数的增加，最大剪切应变量数值逐渐增大，非均匀变形场不断演化形成明显的局部化带，最终岩石试件会沿着变形局部化带产生宏观裂纹，进而发生失稳破坏。
3循环加载对非均匀变形影响分析
为研究循环加卸载过程中非均匀变形的滞后规律，选取每次循环加载应力顶点与非均匀变形统计指标Sw数值最大点之间的滞后时间、以及每次循环卸载应力底点与非均匀变形统计指标Sw数值最小点之间的滞后时间分别做出2种加载方式下的非均匀变形滞后时间随循环次数演化曲线。由于分级循环加载试验前20次循环过程非均匀变形滞后时间不明显，故选取第21至第40次循环过程进行分析，同样在后面的非均匀变形累积效应分析过程中，也选取第21至第40次循环过程进行分析。在2种循环加载过程中，无论在循环加载应力的顶点还是卸载应力的底点，非均匀变形统计指标都滞后于应力变化。其滞后原因是岩石为非均质各向异性材料，其在加载和卸载过程中，内部矿物颗粒、微结构的接触黏合和黏滑摩擦会造成变形滞后于加载应力。但在加载顶点与卸载底点处其滞后规律不同，随着循环次数的增加，2种循环过程其加载顶点处非均匀变形统计指标与应力滞后时间整体上皆逐渐增加，且在分级等幅循环过程中当加载峰值应力增大时，滞后时间发生大幅增加。这主要是因为在加载顶点处，随循环次数的增加，岩石在循环峰值应力作用下其内部的损伤逐步累积，岩石内介质不断劣化，导致变形滞后逐渐加剧。而在分级等幅循环过程中，加载峰值应力增大会导致岩石损伤骤然增加，故滞后时间会出现大幅跳跃。而2种循环过程其卸载底点处的非均匀变形统计指标与应力滞后时间都基本保持稳定。这主要是因为卸载底点处应力数值较小，经过卸载过程，贮存在岩石内部的弹性能已得到充分释放，岩石内部颗粒有充足的时间来调整彼此的排列状态，故在卸载底点处滞后时间波动较为平稳。
结语
1）随着循环次数增加，岩石的非均匀变形场逐步演化，变形局部化现象愈加明显，最终岩石沿变形局部化带产生宏观裂纹进而发生失稳破坏。
2）在每一循环过程中，加卸载至同一应力时，非均匀变形也存在累积效应。非均匀变形在循环过程中经历缓慢演化阶段和快速演化阶段。分级等幅循环过程加载峰值应力的增加会导致非均匀变形的大幅增加和快速演化。
3）循环过程中临近试件破坏时，加载顶点和卸载底点的非均匀变形统计指标Sw数值逐渐接近，试件会发生快速损伤演化至失稳破坏。
参考文献：
[1]汪斌，朱杰兵，邬爱清，等．锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2008，27（10）：2138-2145．
[2]肖建清，丁德馨，徐根，等．常幅循环荷载下岩石的变形特性[J]．中南大学学报（自然科学版），2010，41（2）：685-691．
论文作者:罗绪远
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/20
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