多孔弱胶结粉砂岩疲劳强度确定方法及疲劳破坏先兆

为了研究多孔弱胶结粉砂岩的疲劳力学特性,通过单轴阶梯加卸载试验建立了一种新的特征应力定量计算方法,然后开展上限荷载位于不同应力区间的单轴等幅循环加卸载试验,研究粉砂岩的疲劳强度确定方法和疲劳破坏先兆。新建特征应力定量计算方法将岩石的体应变分离为以岩石骨架为主的固相结构线弹性体应变、以裂纹为主的气相结构非线弹性体应变及不可逆的塑性体应变,并提出气相非线弹性体应变最大点、塑性体应变最大点、塑性体应变由正转负点、总体应变由正转负点分别对应粉砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力和绝对扩容应力。该方法具备科学合理的物理意义,并解决了特征应力划分受主观因素影响的难题。由新建方法获得的损伤应力和绝对扩容应力可以分别视为单轴循环荷载下发生高周和低周疲劳破坏的临界上限应力。当上限应力低于损伤应力时,循环荷载作用下粉砂岩骨架颗粒间发生错动滑移,使试件细观结构重新排列、体积逐渐压缩、体积柔量逐渐增大,随着循环次数增多,下限应力处残余体应变、体积柔量和声发射累计计数等逐渐趋于稳定。当上限应力高于损伤应力时,声发射累计计数持续增加,粉砂岩内部裂纹快速扩展使残余体应变和体积柔量迅速减小,试件最终发生疲劳破坏,而体积柔量由正变负可视为发生疲劳破坏的早期先兆。循环加卸载过程中声发射事件数与k呈对数线性关系,其中斜率b_(k)可用于描述岩石破裂模式,而b_(k)的陡增可视为发生疲劳破坏的临界征兆。