第1期 许江等：基于声发射的岩石疲劳损伤演化 ·23。 劳损伤模型10： 疲劳损伤演化的四阶段规律及对疲劳过程特征点损 D=1-[- N司 伤值预测的初步研究，有助于正确认识岩石的疲劳 (11) 破坏规律，有助于声发射监测在工程中应用. 式中，α和B为模型参数，N为疲劳荷载的循环数， 3结论 NF为达到疲劳破坏时的循环数， 根据式(9)对基于声发射的损伤变量表达式曲 (1)岩石疲劳破坏机理和宏观破坏特征，与静态 线进行拟合（图5），可得1/(1一a)=01028, 单调加载破坏模式是不同的. 1/(1十)=0.0908.拟合相关系数R=0.9778,拟 (2)按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤 合程度较高.将a、B及NF的值代入式(11)可以得 演化规律，并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规 到该岩石在此疲劳寿命下的损伤演化方程. 律可以将其分为四个阶段 1.2m (3)砂岩在低周疲劳过程的声发射演化进程中， 表现出明显的Felicity效应（即反Kaiser效应），证 1.0 明塑性变形和损伤是产生Felicity效应的主要原因. 908 +声发射实测损伤曲线 一损伤演化方程曲线 (4)岩石疲劳损伤致裂具有突发性，在岩石失稳 0.6 阶段损伤加速演化.如果以声发射监测和预测岩石 0.4 疲劳破坏，以本次实验为例，在损伤量0.4左右即进 入失稳阶段，在损伤量0.3左右即进入失效阶段，这 0.2 在实际工程中是需要重点关注的， 0.2 0.40.6 0.8 1.0 (5)本文只针对三峡库区砂岩进行了低周疲劳 循环比，N/W 实验研究，所得结论对高周疲劳情况需做进一步实 图5理论模型与实测结果比较 验验证.此外，本文未能也不可能对所有种类岩石 Fig 5 Comparison of the theoretical model with test results 进行类似研究，但由于很多岩石力学特性具有相似 2.4岩石疲劳损伤监测与预测 性，本次三峡库区砂岩实验，对其他种类岩石具有参 通过两组不同加载速率的砂岩试件疲劳载荷声 考价值. 发射实验得出：砂岩在低周疲劳载荷作用下，当轴向 参考文献 变形发展到一定程度之后，由变形引起的累计损伤 I]Jiang Y.Ge X R.Ren J X.Defomation rules and acoustic emis 会导致岩石的最终破坏.砂岩疲劳损伤致裂具有突 sion characteristics of rocks in process of fatigue failure.Chin J 发性，在失稳阶段较之以前阶段砂岩损伤呈数量级 Rock Mech Eng.2004,23(11):1810 加速演化，砂岩失稳直至整体贯通性破坏时间很短， (蒋宇，葛修润，任建喜.岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声 如果以声发射监测或预测砂岩（或砂岩体）疲劳破 发射特性.岩石力学与工程学报.2004.23(11)：1810) 坏，在损伤量0.4左右即进入失稳阶段，在损伤量 [2 Comelsen H A W.Fatigue failure of concrete in tension. Hron,1984.294):68 0.3左右即进入失效阶段.因此在承受疲劳载荷的 3 Al-Gadh I B A H.Balchm H,Shaaln A,et al.Damage model 岩石或岩体工程中不能仅仅以岩石或岩体所受载荷 for monotonic and fatigue response of high strength concrete.Int (或应力)去判断其稳定性，这在实际工程应用中是 J Damage Mech,2000.9(1):57 需要重点关注的. [4 Pan H.Qiu H X.Fatigue model of concrete based on continuum 监测岩石工程的疲劳损伤，可以利用应力和应 damage mechanics.J Southeast Univ Nat Sci Ed,2006,36(4): 605 变的联合测量来进行，但也存在一定困难.同样以 (潘华，邱洪兴.基于损伤力学的混凝土疲劳损伤模型.东南 F8试件为例，试件在疲劳应力上限时应变在 大学学报：自然科学版.2006.36(4)：605) 0.005~0.006之间（图2，相对于整个疲劳期的应 [5 Ge X R.Study on fatigue failure and defomation evolution law of 变变化是很小的，由于应变测量精度要求较高，给监 rock under period load //Proceedings of the Eighth Chinese Con- 测工作带来一定难度.因此利用声发射技术监测岩 ferenc on Rock Mechanics and Engineering.Beiing:Science 石工程的疲劳损伤具有其自身优势.但是，利用声 PE55,2004:23 (葛修润.周期荷载作用下岩石疲劳破坏及变形发展规律研究 发射技术对岩石或岩体失稳破坏进行监测和预测， ∥第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：科学 要全面了解岩石疲劳损伤过程的声发射特征并解决 出版社，2004：23) 各特征点（如疲劳失稳点）的度量.本文提出的岩石 [6 Xi D Y.Xu Y W.Wan X L The damage of saturated sandstones劳损伤模型 [ 10] : D =1 - 1 - N NF 1 1-α 1 1+β ( 11) 式中, α和β 为模型参数, N 为疲劳荷载的循环数, NF 为达到疲劳破坏时的循环数. 根据式( 9) 对基于声发射的损伤变量表达式曲 线进行 拟合( 图 5) , 可得 1/( 1 -α) =0.102 8, 1/ ( 1 +β) =0.090 8, 拟合相关系数 R =0.977 8, 拟 合程度较高.将 α、β 及NF 的值代入式( 11)可以得 到该岩石在此疲劳寿命下的损伤演化方程. 图 5 理论模型与实测结果比较 Fig.5 Comparison of the theoreti cal model with test results 2.4 岩石疲劳损伤监测与预测 通过两组不同加载速率的砂岩试件疲劳载荷声 发射实验得出:砂岩在低周疲劳载荷作用下, 当轴向 变形发展到一定程度之后, 由变形引起的累计损伤 会导致岩石的最终破坏.砂岩疲劳损伤致裂具有突 发性, 在失稳阶段较之以前阶段砂岩损伤呈数量级 加速演化, 砂岩失稳直至整体贯通性破坏时间很短, 如果以声发射监测或预测砂岩(或砂岩体) 疲劳破 坏, 在损伤量 0.4 左右即进入失稳阶段, 在损伤量 0.3 左右即进入失效阶段.因此在承受疲劳载荷的 岩石或岩体工程中不能仅仅以岩石或岩体所受载荷 (或应力)去判断其稳定性, 这在实际工程应用中是 需要重点关注的 . 监测岩石工程的疲劳损伤, 可以利用应力和应 变的联合测量来进行, 但也存在一定困难.同样以 F8 试 件为例, 试件在 疲劳 应力 上限时 应变 在 0.005 ～ 0.006 之间( 图 2), 相对于整个疲劳期的应 变变化是很小的, 由于应变测量精度要求较高, 给监 测工作带来一定难度 .因此利用声发射技术监测岩 石工程的疲劳损伤具有其自身优势.但是, 利用声 发射技术对岩石或岩体失稳破坏进行监测和预测, 要全面了解岩石疲劳损伤过程的声发射特征并解决 各特征点( 如疲劳失稳点)的度量 .本文提出的岩石 疲劳损伤演化的四阶段规律及对疲劳过程特征点损 伤值预测的初步研究, 有助于正确认识岩石的疲劳 破坏规律, 有助于声发射监测在工程中应用. 3 结论 ( 1)岩石疲劳破坏机理和宏观破坏特征, 与静态 单调加载破坏模式是不同的 . ( 2) 按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤 演化规律, 并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规 律可以将其分为四个阶段. ( 3)砂岩在低周疲劳过程的声发射演化进程中, 表现出明显的 Felicity 效应( 即反 Kaiser 效应), 证 明塑性变形和损伤是产生 Felicity 效应的主要原因. ( 4)岩石疲劳损伤致裂具有突发性, 在岩石失稳 阶段损伤加速演化 .如果以声发射监测和预测岩石 疲劳破坏, 以本次实验为例, 在损伤量 0.4 左右即进 入失稳阶段, 在损伤量 0.3 左右即进入失效阶段, 这 在实际工程中是需要重点关注的 . ( 5) 本文只针对三峡库区砂岩进行了低周疲劳 实验研究, 所得结论对高周疲劳情况需做进一步实 验验证.此外, 本文未能也不可能对所有种类岩石 进行类似研究, 但由于很多岩石力学特性具有相似 性, 本次三峡库区砂岩实验, 对其他种类岩石具有参 考价值 . 参 考 文 献 [ 1] Jiang Y, Ge X R, Ren J X.Def ormation rules and acoustic emis￾sion charact eristi cs of rocks in process of f atigue f ailure.Chin J Rock Mech E ng, 2004, 23( 11) :1810 ( 蒋宇, 葛修润, 任建喜.岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声 发射特性.岩石力学与工程学报, 2004, 23( 11) :1810) [ 2] Cornelissen H A W .Fatigue failure of concret e in t ension. Heron , 1984, 29( 4) :68 [ 3] Al-Gadh I B A H, Baluchm H, Shaalan A, et al.Damage model for monotonic and f atigue response of high strength concret e.Int J Damage Mech, 2000, 9( 1) :57 [ 4] Pan H, Qiu H X .Fatigue model of concret e based on continuum damage mechanics.J Southeast Uni v Nat S ci E d, 2006, 36( 4) : 605 ( 潘华, 邱洪兴.基于损伤力学的混凝土疲劳损伤模型.东南 大学学报:自然科学版, 2006, 36( 4) :605) [ 5] Ge X R.S tudy on fatigue failure and deformation evolution law of rock under period load∥Proceedings of the Eighth Ch inese Con￾ference on Rock Mecha nics and E ngineering.Beijing :S cience Press, 2004:23 ( 葛修润.周期荷载作用下岩石疲劳破坏及变形发展规律研究 ∥第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京:科学 出版社, 2004:23) [ 6] Xi D Y, Xu Y W, Wan X L.The damage of saturat ed sandst ones 第 1 期 许 江等:基于声发射的岩石疲劳损伤演化 · 23 ·