滞弹性衰减特征及其损伤的累积效应

在地铁、高速铁路等基础设施的快速发展下,长期滞弹性微损伤累积效应应引起人们的关注,尤其是对动载和高频效应的关注.本文在频率0.01~1000 Hz、温度-50~200℃内研究了弹性范围内的饱和砂岩、大理岩,在强迫共振、单轴循环加载下的温度和频率的滞弹性行为的弛豫衰减峰.结果显示,弹性模量和波速随温度的升高而下降,且下降梯度比一般岩石的力学实验结果要陡;随着频率提高,弹性模量和波速显著增大,频散效应会加强.该结果反映了在应力诱导下岩石内部微缺陷等微损伤之间的运动和相互作用的微观过程,该过程会导致微结构变化,进而引起微观的位移,产生微损伤;微损伤经历一段时间或很长时间的积累过程,就可能造成疲劳损伤断裂.岩石内部微观结构的非均匀性和矿物晶粒间界等缺陷是最薄弱的部位,在循环应力作用下再次形成新的微裂纹系统,从而加速损伤的积累,引起断裂.除此之外,岩石中多种渠道的残余应力会导致疲劳损伤;振动频率的提高,也会加速岩石的损伤;结合温度升高的综合效应会引起岩石内部微裂纹增长,导致岩石微结构变化并引起微损伤,虽然这是在屈服点以下引发的滞弹性微损伤,但最终它们都将使岩石的品质劣化.

Biot理论的唯象修正对S波特性的影响

将复模量引入Biot方程后 ,在一维条件下通过S波的波动方程研究了S波的传播特性 ,S波的数值分析显示在频率域或温度域上都能获得热弛豫衰减峰和Biot衰减峰 .在频率域上由于温度的变化引起两峰相向位移 ,在温度域上 ,因频率的变化也发生相对移动 .随着温度和频率的不断提高 ,两峰发生叠加 ,叠加后两峰互换位置 .低频或低温段的热弛豫峰移到了高频或高温段 ,高频或高温段的Biot峰移到了低频或低温段 .由于两峰的衰减机制不同 ,导致S波波速随频率或温度变化规律的复杂性 .这些规律已部分被共振实验所证实 ,证实该理论模型具有实验基础 .

循环载荷下饱和砂岩的滞弹性衰减与损伤研究

为研究饱和砂岩在弹性范围内的滞弹性衰减与损伤的关系,在0.01~1 000 Hz频率范围和-60℃~190℃温度范围内开展受迫共振和单轴循环加载实验。实验结果显示岩石的响应曲线出现弛豫衰减峰,岩石中频散效应随温度和频率的升高愈发明显。研究表明:应力诱导下岩石内部的微损伤产生运动并相互作用;振动频率的提高促进岩石微裂纹增长;温升和激活能偏小助力微裂纹的萌生和扩展;循环应力也会在岩石内部微观结构不均匀处产生新的疲劳微损伤。虽然导致岩石品质下降的滞弹性微损伤发生在弹性范围内,但在动态和高频载荷作用下其累积效应会加速发展,值得关注。