循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响

1引言
2 试验方法与试验结果
在岩土工程施工及运营阶段，经常会遇到周期 性荷载的作用，岩石在周期性荷载作用下的力学性 能是影响岩土工程长期稳定的重要因素之一。迄今 为止，蔡美峰等[1～11]对岩石类材料在循环荷载作用 下所表现出的变形特性进行了大量的试验与理论分 析，A. N. Tutuncu 等[3，4]对多孔隙颗粒状沉积岩在 单轴循环应力作用下的变形规律进行了研究，指出 应力–应变滞回环曲线的特征与施加荷载的频率、 应变振幅等因素有关；葛修润等[5～7]通过对红砂岩 试件进行不同围压时静态应力–应变全过程试验和 疲劳试验，分析了三轴周期荷载的上限应力和幅值 对疲劳特性的影响；席道瑛等[8]由试验获得了荷载 低于屈服点的塑性滞回曲线和杨氏模量、泊松比、 衰减等弹性响应和荷载超过屈服点的黏塑性响应； 谢红强等[9]通过加载和卸载 2 种力学状态的全过程 应力–应变试验，揭示了岩体在加卸载时变形特性 的差异，并结合试验结果用损伤力学的概念推导出 岩石的损伤演化方程；许 江等[10，11]认为岩石在循 环加卸载条件下的卸载曲线和加载曲线不重合，将 形成一封闭的滞回环。上述研究成果对研究岩石 在循环荷载作用下的变形损伤有重要的参考价 值。
ε1
0.008
0.010
Fig.1
图 1 不同围压下σ1-ε1 曲线 Axial stress-axial strain curves under different confining pressures
由图 1 可知，由于岩石本身的非线性特性，在
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岩石力学与工程学报
2011 年
循环卸载段，虽然σ1 降到下限值，但是卸载曲线不 沿加载曲线的路径返回，其ε1 也不能恢复到下限值， 形成了滞回环，这是由于试件在循环荷载作用下产 生的非线性弹性响应的原因。除了第 1 次循环有较 大的残余应变量以外，从第 2 次循环开始，残余应 变量逐渐变小且趋于稳定。随着围压的增加，岩石 的强度与变形也相应地增加。在循环的初始阶段， σ1 - ε1 曲线较为稀疏，随着循环次数的增加，σ1 - ε1 曲线向 ε1 增大的方向移动，且滞回环越来越密集， 是一个由疏到密的发展过程。
相对于分析岩石在各种荷载作用下的弹性模量 与泊松比等变形参数而言，从能量角度研究岩石的 变形损伤为岩石力学研究提供了新的方法，如谢和 平等[12～15]从能量的角度讨论了岩石变形破坏过程 中能量耗散、能量释放与岩石强度的内在联系；苏 承东和张振华[16]研究了大理石在不同围压下三轴 压缩的塑性变形量、能耗与损伤岩样单轴压缩时能 耗的变形规律；喻 勇和尹建民[17]研究了三峡工程 中花岗岩在不同加载方式下的能耗特征，比较了不 同荷载下的能耗大小，为岩石工程中破岩方式和加 固方式提供了理论支持。
为分析砂岩在循环荷载作用下不同围压时轴 向应力σ1 与轴向应变ε1 曲线的演化规律，图 1 给出 了砂岩在循环荷载作用下 20，40 和 60 MPa 围压 时的 σ1 - ε1 曲线。
200
160
σ1/MPa
120
80
60 MPa
40
40 MPa
20 MPa
0 0.000
0.002
0.004
0.006
第 30 卷 第 2 期 2011 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.2 Feb.，2011
循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响
张 媛 1，2，许 江 1，2，杨红伟 1，2，汪金能 1，2
收稿日期：2010–05–28；修回日期：2010–08–05 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB201203)；国家自然科学基金资助项目(50974141)；笹川优秀青年教育基金项目(SYLFF) 作者简介：张 媛(1985–)，女，2008 年毕业于重庆大学安全技术与工程专业，现为硕士研究生，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。E-mail： yuanzhang1115@
本文在上述研究的基础上，通过试验分析了砂 岩在循环荷载作用下不同围压对砂岩滞回环演化规 律的影响，由于滞回环随循环次数的变化反映了岩 样内部能量的变化，本文从能量的角度出发，研究 循环荷载作用下不同围压对砂岩能量耗散的影响。
2.1 试验方法 采用 MTS815 岩石力学试验系统进行三轴循环
荷载试验，其轴向应力由安装在试验系统上的荷重 计测定，围压由安装在试验系统上的压力传感器测 定，轴向位移则采用与试验系统配套的位移引伸计 测定。
ZHANG Yuan1，2，XU Jiang1，2，YANG Hongwei1，2，WANG Jinneng1，2
(1. Key Laboratory for Exploitation of Southwestern Resources and Environmental Disaster Control Engineering of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2. State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane
(1. 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； 2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044)
摘要：利用 MTS815 岩石力学试验系统对砂岩进行循环荷载作用下不同围压压对砂岩滞回环演化规律的影响。试验结果表明：(1) 可将滞回环分为加载段和卸载段分别进行二次拟合。
于稳定，且围压越大，其拟合曲线的开口越大。(2) 随着围压的增加，砂岩的滞回环面积增大，这说明随着围压的
增加，试件在每个循环中所耗散掉的能量也在增加，即裂纹扩展所需要的能量也会随着围压的增加而增加。(3) 分
析试验参数和拟合曲线，得出轴向单位体积耗散能与循环次数的关系符合乘幂负指数关系，曲线的特征是随着循
Drainage in Complex Coal Gas Seam，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract：The effect of confining pressure on evolution law of hysteresis loop of sandstone under cyclic loading is investigated by using MTS815 rock mechanics testing system. Test results are shown as follows：(1) The hysteresis loop can be divided into two parts to perform quadratic fitting. In cyclic loading section，with the increase in cycle，fitting parameters A and B increase with the increase in confining pressure；while the fitting parameter C decreases with the increase in confining pressure. The opening of fitting curve increases gradually and tends to be stable；the greater the confining pressure is，the less the time it need to be stable is. In cyclic unloading section， with the increase in cycle，fitting parameter A decreases with increase in confining pressure；fitting parameters B and C decrease with the increase in confining pressure. The openings of fitting curves increase gradually and tend to be stable；the greater the confining pressure is，the larger the opening of fitting curve is. (2) Hysteresis loop area of sandstone increases with the increase in confining pressure，which means that with the increase in confining pressure，the dissipation energy of specimen in each cycle increases and the crack propagation energy needed also increases. (3) The relationship between the axial dissipation energy and cycle accords with the power of negative exponent function under cyclic loading；and the feature of the curve is that with the increase in cycle，the axial dissipation energy per unit volume attenuates quickly and tends to be stable gradually.
第 30 卷 第 2 期
张 媛，等. 循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响