外文翻译-波形对砂岩疲劳特性的前后影响.doc

1、翻译部分中文翻译波形对砂岩疲劳特性的前后影响马诺采矿和燃料研究中央研究所，区域中心，440甲醚那格浦尔，印度006弗拉迪米尔佩特罗地质和采矿系，俄斯特拉发70833，捷克共和国摘要:在单轴循环加载情况下，研究加载波形对砂岩的前后失效疲劳性能的影响。正弦，坡道和方波形被使用在循环加载频率5hz和峰值振幅0.05毫米中。加载波形被认为具有重大的意义以及对疲劳行为的影响。疲劳行为被认为是负荷的动能和波形的形状的一种功能，在一个高能量需求正方形波形下迅速累积了损坏，坡道波形是那些因素中最有损害的，本研究具有实际重要意义在研究岩石运行状况和大量岩石在开掘系统中受到动态循环荷载。关键词：加载波形；岩石疲劳

2、；挖掘；能量；损伤1 引言岩石动态荷载影响疲劳的研究在挖掘系统倾向于极端岩石突发荷载 方面具有伟大的意义；然而，这几乎是罕见的文学主题。本文介绍了目前研究工作也探究其他波形除了三角形和循环动荷载，以提高对岩石破坏机制和岩体在受到严重循环疲劳和动荷载情况下的认识和研究。第一次全面研究岩石的疲劳周期是在伯丁的调查研究中，他对伯利亚砂岩在单轴压缩强度下进行了研究。在三种坚硬岩石在单轴压缩测试中哈利和丘格发现影响疲劳周期的因素。他们采用的三角形应力加载路径被认为是最有优势的正弦曲线路径。艾特威尔集中精力研究岩石在单轴循环压缩下的变形情况。在四种主要立体基阵荷载：循环应力控制、三角形状和频率为每1秒一个

3、循环周期下，赫姆森等人对四种岩石不断施加应力后的强度、变形和结构的分析研究。他们的研究结果表明，坚硬的岩石在循环荷载情况下其硬度大大地被削弱。振宇和海宏使用两种波形来研究岩石的运行状况：正弦和三角形研究结果是，正弦波加载引起的变形比三角波加载引起的变形要大。在他们最近的出版物中，李等人。研究了力学性能和疲劳损坏模型并提出了节理岩体和有间歇裂隙的干燥，冷冻和饱和砂岩样品在受到动态周期性加载应力控制模式下使用斜坡波形的模型。巴蒂和罗斯通过对砂岩使用正弦波形来研究加载频率和振幅的影响，并发现对岩石的运行状况影响很大。除了对岩石的研究外，龚和史密斯调查研究波形和加载顺序对云杉木材的低周期疲劳寿命的影响

4、。2岩石样品和测试装备岩石样本来源于捷克共和国盆地的达尔科夫煤矿煤的爆破岩石。本实验对山脊层的砂石岩进行了岩心砖孔，在深度范围从588到607米以下。宏观描述这砂岩为：有条纹的中细颗粒、浅灰色砂岩（积累了大量有机质）。这条纹是零星收敛的，与轴核心成一定倾斜（圆角25）。对样品进行了1 : 1直径长度比，平均直径为47.5毫米，尽可能结束，大小和其他测试的影响被忽视了。样品的准备和测试是根据国际岩石力学学会的测试程序和准备进行的。普通物理特性和声波测试结果见表1。表1. 物理性质，化学性质和实验测试砂岩声波结果物理性质干燥声波样本饱和声波样本干燥密度（kg/m3）饱和密度（kg/m3）VpVsv

5、dEd(GPa)VpVsvdEd(GPa)25402578325622680.0227387522220.1733这个测试设备是MTS816岩石测试系统。MTS系统控制器由硬件设备和软件应用程序组成，并提供伺服液压闭环控制的实验设备。更详细的检测设备说明请参阅作者的论文。 分别在给定的一组测试条件下，试验进行了轴向位移控制加载系统和动态负载被指定为是正弦波，斜坡波和正方形波循环压缩（图1）。在实验开始时，轴向位移目标设置点等于一个模拟的振幅。轴向位移的目标在不断增加，直到样品失效，如果可能会直到残余应力达到获得完整的前后弯曲失效。振幅是一个绝对值（值），相当于总范围的一半。比如，输入一个0.1

6、毫米的振幅意味着+ 0.1毫米和-0.1毫米，总共为0.2毫米。图1.波形形状波形的形状取决于加载速度和卸载速度，速度的改变在于加载和卸载率以及持续停留在应力的峰值点。图1显示了三种5Hz的负载频率和应力峰值在0时的波形。线段AB反应了加载频率，BC反应了停留时段，B和C点反应了负荷率的变化率。很明显，在三角和正弦波形中，B点和C点重合在一起，表明这停留段为零。图1（c）所示的是理想状态下的正方形波；然而，在测试中使用的实际状态的波形可能接近于图1（d）所示。这些波形的详细信息见表2。龚和史密斯，报告说在测试中使用的实际正方形波形状态为图1（d）中所示以及图中的k值代表的意义是在负载频率为0.

7、5Hz时的应力为20. 龚和史密斯认为方波是最严重的波，因为他们的高负荷率和高加载速率变化并且有一长段停留时期。根据这些图表发现三角波形损坏能力比正弦波形小，尽管他们有一个很大的峰值变化负载率（表2）。根据这些图表，负载率占据了主要的作用而不是高峰负荷率变化。负载率是不为正弦波的一个常数。这平均负载率(d/dt)av为正弦波形 100 。这等于三角波形频率相同的负载率。正弦波的最大负荷率是50,即 15.70 ，比三角波形的负载率大57%。众所周知，在单轴循环动态加载条件下负荷率强烈影响疲劳岩石的运行状况。表2. 图1的波形特征波形加载功能加载速率（MPa）B点负荷率的变化停留时段（s）三角/

8、 锯齿AB段：=100tBD段：=100（0.2-t）AB段： 100BD段：- 1002000正弦=(0/2)(1-sin(10t+/2)-50cos(10t+/2)00方形（理想）AB段:t=0BC段：=0AB段：BC段：00.1方形（实际）AB段: =k0tBC段：=0AB段: =k0BC段：0k00.13岩石性质的评价从单轴循环荷载试验数据分析得到疲劳强度的峰值为(fp),疲劳强度峰谷只为(fp)，平均疲劳强度值为(fd)，疲劳寿命(Tfl)，峰值疲劳剩余强度为(fr)，毫无预测的快速边坡失效(Spf),平均弹性模量(Eavd),割线模量(Esd),轴向刚度(Asd)为最大应力的50%

9、，快速失效模量(Epf)为最大应力的50%，动态能(De)和应力能量(Se)由岩石释放出来。使用MATLAB开发的计算机程序来分析应力应变曲线的强度和变形情况。使用计算机程序从波峰波谷数据中计算得出的压力和模量如图2.波峰疲劳强度(fp)和波谷疲劳强度(fv)是从波峰和波谷特性曲线中获得的最大应力。然而，疲劳强度(fd)是上述两项的平均值。疲劳寿命的时间对应着峰值疲劳强度。峰值疲劳剩余强度对应着峰值特性曲线中的剩余强度。这失效后的负斜率取决于失效后的波峰和波谷特性曲线以及平均数值。根据在国际岩石力学学会上程序概述提供的方法来分析研究应力应变曲线变形比例就像平均模量和割线模量一样。平均模量或多或

10、少的取决于应力应变曲线的直线部分的平均斜度。割线模量从零增加到岩石持续受到最大荷载的50%。从失效模量可以知道平均弹性模量取决于失效特性曲线最大应力的50%。此后，在循环荷载下记录了波峰和波谷的数据，使用MATLAB开发的计算机程序来分别获得和独立分析波峰和波谷特性曲线来预测模量数值，如图2所示。然后模量值从峰谷曲线中的平均值获得。 图2.典型的应力-应变曲线在单轴循环加载下的各种大量参数评价说明加载岩石的平均轴向刚度的计算公式为：Asd=应力/应变 （1）其中，Asd是平均轴向刚度（即变形模量或永模量超过弹性间隔或可逆模量），应力是应力差（或双应力幅值）和应变是应变差（或双应变振幅）获得相应

11、的风骨数据。使用公式（1）对轴向应力峰值计算的轴向刚度如图3所示。据显示轴向刚度的的数值被估计在岩石持续受到峰值轴向应力时的50%。图3. 轴向刚度和轴向应力的平均轴向刚度在峰值疲劳强度的50%时的图表计算说明岩石释放的动态能量计算公式： De=(应力 x 应变 x f)/2， （2） 其中，De代表岩石持续动能，单位为MW/m3,f 代表频率，单位为Hz，动态能量的确定通过使用峰谷数据在整个负荷对时间作图，如图4所示。据显示得出动能的数值是在曲线峰值处的渐近线平均值。图4. 时间与动态能量在动能接近峰值疲劳强度时的计算绘制图。根据这个损坏原理，岩石释放出的应力能可以被描述为： Se=2fp/

12、2Eavd, （3）其中，Se代表释放的应力能，单位为MJ/m3，fp代表岩石持续峰值疲劳强度，单位是MPa，Eavd代表平均模量，单位是MPa。通过使用方程确定岩石释放的应力能。4实验结果和讨论在单轴循环荷载下，实验进行了波形对砂岩的疲劳行为影响的研究。正弦波、斜坡波和方波形被用的是负载5赫兹的频率和振幅为0.05毫米。4.1 岩石疲劳强度在斜坡波加载的情况下产生的疲劳强度比正弦波和方形波要高（如图5）。因此，可以得出结论，斜坡加载波形在加载和卸载时比正弦波和方波更均匀。众所周知波形影响疲劳寿命以及根据龚和斯密斯，在给定的加载频率下方形波是最严重的最短疲劳寿命测试条件和结果。然而，研究发现正

13、弦波的疲劳寿命最短和方形波的剩余强度最高以及其他例外。这可能是由于样品的干扰。方形波的负斜率失效后表明在如此条件下岩石很可能是脆性断裂方式失效，由于比起其他波形来方形波有长停留时段和高荷载率。图5.加载波形的强度图6.加载波形的疲劳寿命图7.加载波形的倾斜失效4.2 岩石的变性特征永的平均模量高于锯齿波形相对于其他波形来说（如图8）。在正弦波形中，它是最低的。在方形波中割线模量是最低的但是高于正弦波形。可逆模量在锯齿波形中最高，其次是正弦波最少的是方波波形。失效模量在方形波中是最少的。比起其他波来方形波似乎损伤累积最快。波形的最大负荷率强烈影响岩石的损害积累。根据埃伯哈特，在永的模量和割线模量

14、之间的数值差距较大，更大的原始裂纹密度。图8.加载波形模量4.3岩石能量反应利用动态能造成的岩石失效破坏是最低的在锯齿波形中比起其他正弦和方形波形来说（图9）。在方形波的情况下，发现动能需求更容易引起岩石失效。因此，可以得出结论，在那些因素中锯齿波的损坏能力最小。在高动能需求下方形波顺坏积累最迅速，接下来是正弦波和锯齿波。这一调查结果表明，荷载率和加载波形是促进岩石破坏的主要因素，而不是已经完成。这个观察支持了龚和斯密斯对木材的调查发现的观点。据报道，在低循环疲劳测试中每周期完成的工作越高，失效的次数就越少。尽管方形波具有较高动态能，但是它也有更短暂的疲劳寿命和更低的疲劳强度，除了正弦波疲劳寿

15、命例子外。这可能是由于材料的性质，各向异性或异质性或样品的干扰以及加载模式的程度性等。锯齿形波中岩石释放的应力能是最高的，其次是正弦波最小的是方形波（如图10）。如前面所讨论的，方波形是最严重的试验条件及有最短的疲劳寿命以及正弦波比三角波更严重。Henc推测在循环压缩荷载下应力释放的能量已完成以及波形的形状确定。图9.加载波形的动态能图10.加载波形的应力能5总结本研究重点对波形和振幅对完整的砂岩岩石疲劳行为的动态循环影响的调查研究。在工作的基础上，得出以下结论：在单轴循环压缩下岩石的疲劳行为是波形形状和已完成的负载的一个应变量。在方形波高动能需求下损坏积累最迅速。跟方形波和正弦波相比起来锯齿波损坏小些。在给定的频率和振幅下认为锯齿类型的波形在装卸较少动态能量需求时导致样本岩石失效更加均匀。在循环荷载条件下加载波形强烈影响岩石的损害积累。据发现一个波形的最大负荷率严重