【EFA】空心砂岩在三轴循环加卸载路径下疲劳破坏力学行为的试验研究

摘要

主要图表

本文对完整砂岩和钻孔砂岩试件进行了三轴多级疲劳力学试验，研究了砂岩试件的变形和损伤演化特征，结合实时声发射监测和破坏后CT扫描为损伤评估提供了基础参数，主要结论如下：

（1）在多级循环加载下，完整砂岩和钻孔砂岩的轴向疲劳变形曲线表现出相似特征。随循环次数增加，砂岩试件的滞回环逐渐变疏；单个疲劳加载阶段内，滞回环曲线在前几圈较疏，随后逐渐变密，直至加载阶段末期。完整砂岩和小孔径钻孔砂岩的体积变形曲线相同，即先压缩后膨胀；而大孔径钻孔砂岩未出现体积膨胀特征，这是因为试件受较高围压作用，内部积累的弹性应变能向孔壁方向释放，导致孔壁坍塌。

（2）与传统三轴压缩相比，多级疲劳加载下砂岩试件的强度更高，这是应变率效应的结果，但疲劳加载类型对其强度无显著影响。随着钻孔直径增大，砂岩试件的疲劳力学参数呈显著下降趋势，且围压越大，这一效应越明显。疲劳应力路径对砂岩试件弹性模量的演化有显著影响。多级循环加载下，弹性模量呈阶梯式变化——等幅疲劳加载下弹性模量先增后减，增幅疲劳加载下弹性模量呈阶梯式下降。在增幅疲劳加载下，完整砂岩的弹性模量高于钻孔砂岩，且随着钻孔直径增大，弹性模量呈上升趋势，这与钻孔砂岩的能量释放路径有关——钻孔直径越大，内部能量向孔内壁释放的比例越高。

（3）声发射参数为砂岩损伤评估提供了重要信息。砂岩试件的声发射振铃计数随循环次数和加载等级增加而增大。随着钻孔直径增大，试件的峰值声发射振铃计数逐渐减小；在增幅疲劳加载下，峰值振铃计数显著大于等幅疲劳加载下的对应值。砂岩试件的能量演化特征也可用于分析疲劳损伤演化过程。随着应力水平升高，试件能量呈阶梯式增加，循环能量密度与上限应力之间存在幂函数关系。随着钻孔直径增大，能量值呈下降趋势，且增幅疲劳加载下的能量远大于等幅疲劳加载下的对应值。

（4）从破坏后砂岩试件的宏观破坏模式和CT图像可以看出，在多级疲劳加载下，完整砂岩和钻孔砂岩均表现为剪切破坏。随着钻孔直径增大，宏观断裂角逐渐减小，而孔内壁断裂程度加剧。与等幅疲劳加载相比，增幅疲劳加载后砂岩试件的裂纹更为复杂，孔壁出现明显的岩块剥落。