孫冰　劉順　曾晟　樊軍偉　尹裕　陳寅

摘要：工程實(shí)際中的巖體常常受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、工程施工及次生應(yīng)力場(chǎng)等循環(huán)荷載作用，表現(xiàn)出與單調(diào)荷載不同的力學(xué)特性。為了更好地研究循環(huán)荷載作用下巖石材料的力學(xué)特性，對(duì)強(qiáng)度特征、變形特征及破壞特征3個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)分析，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有研究的局限性提出了幾點(diǎn)建議：在更寬頻率范圍內(nèi)研究頻率對(duì)循環(huán)力學(xué)特性的影響，從而得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論;將現(xiàn)有的力學(xué)理論與數(shù)值模擬手段結(jié)合起來研究巖石材料的循環(huán)力學(xué)特性;通過掃描電鏡與原位CT掃描等技術(shù)深入開展循環(huán)荷載下巖石力學(xué)特性的微觀結(jié)構(gòu)研究，探究巖石材料的失穩(wěn)破壞機(jī)制。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué);循環(huán)荷載;強(qiáng)度特征;變形特征;破壞特征

中圖分類號(hào)：TD315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2022）01-0042-06doi：10.11792/hj20220107

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018JJ2331）

引言

巖石材料是由不同礦物顆粒和膠結(jié)物組成的結(jié)合體，在經(jīng)過了億萬年的地質(zhì)演變和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，其內(nèi)部含有大量的宏觀和微觀缺陷[1]。大量的工程實(shí)踐表明，從地震波的傳導(dǎo)到行車荷載的作用，再到鉆爆施工的影響，巖體長(zhǎng)期遭受著不同類型的環(huán)境荷載和人為荷載的影響，這類荷載從本質(zhì)上來說都是循環(huán)的。由于巖石材料的力學(xué)特性與所受應(yīng)力狀態(tài)及加載歷史密切相關(guān)，因此循環(huán)加載相較于單調(diào)加載更具復(fù)雜性。正確認(rèn)識(shí)循環(huán)荷載下巖體的力學(xué)特性對(duì)完善巖石力學(xué)的相關(guān)理論和解決對(duì)應(yīng)的巖體工程相關(guān)問題具有重要意義。

循環(huán)荷載的研究起始于采礦科學(xué)領(lǐng)域[2-3]，學(xué)者試圖通過掌握巖體在爆破和鉆孔之后的演化規(guī)律進(jìn)而更為科學(xué)有效地開采礦產(chǎn)資源。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在石油和天然氣的儲(chǔ)存過程中，連續(xù)的充填和排空等一系列循環(huán)擾動(dòng)對(duì)環(huán)境中巖體的力學(xué)特性也存在著不可忽視的影響[4]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于循環(huán)荷載作用下巖石材料的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究并取得了豐富且極具價(jià)值的成果。一般而言，巖石材料的力學(xué)特性包括強(qiáng)度特征、變形特征及破壞特征3個(gè)方面。在強(qiáng)度特征和變形特征方面，由于循環(huán)荷載作用，應(yīng)變相較于應(yīng)力存在明顯的滯后效應(yīng)，形成典型的“滯回環(huán)”[5-7]，從而造成了巖石強(qiáng)度的劣化。同時(shí)，不同循環(huán)加載波形也是影響巖石強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。此外，學(xué)者還通過試驗(yàn)得到的彈性模量、泊松比、阻尼比、殘余應(yīng)變和平均應(yīng)變等參數(shù)來定量表征巖石材料的變形演化。在破壞特征方面，通過直接法觀察巖石材料的宏觀破裂面和細(xì)觀破裂形式，或采用間接法研究不同物理量對(duì)失穩(wěn)破壞的預(yù)測(cè)作用都是非常有效的手段。

因此，對(duì)于循環(huán)荷載下巖石材料的力學(xué)特性研究是巖石動(dòng)力學(xué)不可或缺的一部分，也是目前中國(guó)礦產(chǎn)資源深部開采及地下空間綜合利用等深部巖石力學(xué)亟需解決的理論問題[8-9]?；诖?，本文綜述了循環(huán)荷載下巖石材料力學(xué)特性試驗(yàn)研究的相關(guān)成果，針對(duì)巖石的強(qiáng)度特征、變形特征和破壞特征3個(gè)方面進(jìn)行了歸納總結(jié)，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)有研究的局限性和陰影地帶提出了一些建議，探究了未來的研究方向，為解決巖體工程中的強(qiáng)度取值和安全儲(chǔ)備系數(shù)等問題提供了思路。

1 強(qiáng)度特征和變形特征

1.1應(yīng)力門檻值

關(guān)于循環(huán)荷載下巖石材料的強(qiáng)度特征方面，學(xué)者們首先提出了“應(yīng)力門檻值”的概念，盧應(yīng)發(fā)等[10]認(rèn)為，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力低于疲勞破壞門檻值時(shí)，巖石內(nèi)部的微裂隙多數(shù)發(fā)生閉合，局部張開，總體表現(xiàn)為體積變形減小，不發(fā)生破壞現(xiàn)象。隨后楊永杰等[11-12]通過循環(huán)加卸載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在疲勞破壞門檻值以下巖石材料也會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，并且還可以作為剪脹和剪縮變形的臨界點(diǎn)。與此同時(shí)，還有學(xué)者通過顆粒流理論確定了巖石材料的起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力和峰值強(qiáng)度的門檻值，以此來研究應(yīng)力門檻值所對(duì)應(yīng)的細(xì)觀能量變化，從而建立基于能量演化規(guī)律的巖爆傾向性指標(biāo)[13]。此外，其他相關(guān)的研究成果如表1所示。

基于上述研究可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)荷載下的應(yīng)力門檻值是巖石材料是否會(huì)發(fā)生破壞的一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)應(yīng)力低于應(yīng)力門檻值時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的變形趨于穩(wěn)定，而所受的損傷往往也是有限的。

1.2強(qiáng)度影響條件

學(xué)者們的大量研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)荷載作用下的循環(huán)加載波形、循環(huán)應(yīng)力幅值及圍壓等3種條件對(duì)巖石材料的強(qiáng)度特征有著顯著的影響。

對(duì)于波形的影響，正弦波、三角波與方波是循環(huán)荷載試驗(yàn)中常見的波形。正弦波的加載特點(diǎn)是加載速率隨時(shí)間不斷變化[14]，當(dāng)加載路徑到達(dá)波峰和波谷時(shí)的加載速率會(huì)變慢。因此，與等速率上升或下降的三角波相比，正弦波對(duì)于巖石材料強(qiáng)度的劣化作用要甚于三角波[15]。某種意義上，正弦信號(hào)更能代表巖爆與地震時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波。方波加載[16]是指每半個(gè)周期內(nèi)的加載速率保持不變，半個(gè)周期后迅速跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)荷載并繼續(xù)保持，因此它最具破壞性，對(duì)于強(qiáng)度的劣化作用最顯著。

對(duì)于循環(huán)應(yīng)力幅值的影響[26-28]，循環(huán)應(yīng)力幅值是指周期內(nèi)上限應(yīng)力與下限應(yīng)力的差值，試驗(yàn)過程中循環(huán)應(yīng)力幅值可以是變化的，也可以是常數(shù)。改變上限應(yīng)力或下限應(yīng)力會(huì)影響巖石材料的疲勞破壞進(jìn)程，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具體表現(xiàn)為：當(dāng)其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，隨著循環(huán)應(yīng)力幅值的增大，滯回環(huán)下凹明顯，形狀變得扁且長(zhǎng)，并且循環(huán)破壞周期數(shù)減少，強(qiáng)度降低。從細(xì)觀角度分析，循環(huán)應(yīng)力幅值增大，巖石內(nèi)部晶體顆粒沿著微裂隙和缺陷的滑移能力增強(qiáng)，巖石骨架松動(dòng)，膠結(jié)能力減弱[20]。

對(duì)于頻率的影響，鄧華鋒等[22]觀察到滯回環(huán)的形態(tài)隨著頻率的增加趨于飽滿，而滯回環(huán)的面積代表一個(gè)周期內(nèi)能量耗散的大小，因此損傷速率也在增加。對(duì)應(yīng)分析是當(dāng)加載頻率較低時(shí)，巖石材料因?yàn)楹奢d產(chǎn)生的變形有充分的時(shí)間可以恢復(fù)，因此應(yīng)力應(yīng)變的滯后效應(yīng)并不明顯;當(dāng)加載頻率較高時(shí)，巖石內(nèi)部的裂紋、孔隙和礦物顆粒的變形都來不及在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整，導(dǎo)致加卸載曲線之間的距離較遠(yuǎn)，損傷程度加劇，同樣的結(jié)論也得到了任建喜等[14，29]的研究驗(yàn)證。但是，另有學(xué)者[23-25]卻認(rèn)為，隨著加載頻率的增加，試件的不可逆變形會(huì)減小，損傷發(fā)展變慢，具有較大的循環(huán)破壞次數(shù)。

對(duì)于圍壓對(duì)循環(huán)荷載試驗(yàn)的影響，圍壓效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線向前推進(jìn)，內(nèi)凹現(xiàn)象越來越不明顯，巖石材料的塑性能力變強(qiáng)。蔡國(guó)軍等[30]認(rèn)為，在圍壓狀態(tài)下，巖石內(nèi)的累積不可逆變形會(huì)被有效抑制，強(qiáng)度會(huì)顯著增加。另外，在總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，從能量角度分析圍壓的影響是大多數(shù)學(xué)者的優(yōu)先選擇。通過紅砂巖的三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，張志鎮(zhèn)等[31]研究了巖石彈性能和損耗能演化及分配規(guī)律的圍壓效應(yīng)。蘇承東等[32]研究了大理巖在不同圍壓下三軸壓縮的塑性變形量和能耗的變化規(guī)律。彭瑞東等[33]指出，圍壓對(duì)煤巖循環(huán)損傷過程中的能量演化機(jī)制有顯著的影響，并由此建立了基于能量分析的損傷變量。此外，不同圍壓下應(yīng)變、彈性模量[34]、滲透率[35]和強(qiáng)度的研究對(duì)揭示巖石材料的性能同樣也是不可或缺的。

1.3變形特征

循環(huán)荷載下巖石材料的變形特征是目前研究最廣泛的問題，由于加載路徑、試驗(yàn)條件及巖石材料性質(zhì)的不同，觀察到的現(xiàn)象往往也不盡相同，因此利用單個(gè)或多個(gè)指定的變形參數(shù)（彈性模量、泊松比、阻尼比、殘余應(yīng)變和平均應(yīng)變等）來探究巖石材料的變形演化受到了大多數(shù)學(xué)者的青睞[36]。

在此基礎(chǔ)上，許江等[37]通過不同應(yīng)變速率下的循環(huán)加載來探究循環(huán)次數(shù)對(duì)變形及楊氏模量的影響，結(jié)果表明不管應(yīng)變速率如何變化，楊氏模量的變化規(guī)律都大致相同。同樣對(duì)循環(huán)次數(shù)和彈性模量及泊松比進(jìn)行研究的還有付小敏等[38]、蔣長(zhǎng)寶等[39]、趙國(guó)凱等[40]。除循環(huán)次數(shù)和上節(jié)所論述的試驗(yàn)條件之外，陳運(yùn)平等[41]利用單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)來研究砂巖層理對(duì)其彈性模量和泊松比的影響，研究表明，垂直方向的相關(guān)變形參數(shù)要小于水平方向，衰減則相反。席道瑛等[42]則采用平均應(yīng)變來探究熱應(yīng)力對(duì)循環(huán)荷載下巖石材料的變形影響，結(jié)果表示熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱開裂會(huì)促使巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的劣化，導(dǎo)致材料局部變形，從而增大應(yīng)變速率，使破壞提前。然而，胡躍飛等[43]卻得出了相反的結(jié)論，其研究表明溫度對(duì)巖石材料具有明顯的強(qiáng)化作用，峰值應(yīng)變相差不大。

雖然關(guān)于變形特征的研究方法各異，但對(duì)相應(yīng)的分析與結(jié)論化繁為簡(jiǎn)之后可以發(fā)現(xiàn)，無論是應(yīng)變、變形參數(shù)[44-46]、裂紋[47]，還是循環(huán)加載過程的波速[48]都表現(xiàn)出明顯的“三段式”特點(diǎn)。從彈性模量與泊松比的角度簡(jiǎn)要介紹二者之間的聯(lián)系：第一階段為變形的初始階段，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)著彈性模量的增大和泊松比的輕微降低，反映了巖石材料的硬化過程;第二階段為等速階段，這個(gè)階段的變形速率為常數(shù)，在整個(gè)變形過程中的占比也是最大的，與之對(duì)應(yīng)的是彈性模量的降低和泊松比的增大，反映了巖石材料的軟化過程;第三個(gè)階段被稱為加速階段，這個(gè)階段的變形速率較大，伴隨著彈性模量的快速降低和泊松比的急劇增大，反映了巖石材料的破壞過程。

學(xué)者們對(duì)循環(huán)荷載下巖石材料的強(qiáng)度和變形特征進(jìn)行了大量的研究，也在紛繁復(fù)雜的結(jié)論中找到了一定的共性。但是，由于材料本身的不可復(fù)制性和試驗(yàn)方法的多樣性，即使是對(duì)于一種給定的材料和方法，也很難準(zhǔn)確描述出它的強(qiáng)度和變形的演化規(guī)律，因此如何將現(xiàn)有的力學(xué)理論與數(shù)值模擬手段結(jié)合起來研究巖石材料的力學(xué)特性是接下來值得深入研究的方向。

2 破壞特征

由于巖石材料的破壞特征深刻影響著實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與防護(hù)，因此一直都是學(xué)者們極為關(guān)心的問題。圍繞破壞特征的研究一般有直接和間接2種方式，前者是直接觀察巖樣的宏觀破裂面或細(xì)觀破裂形式，后者則是采用宏觀物理量的顯著變化來預(yù)測(cè)材料的破壞。理論上，巖石材料的破壞應(yīng)該是沿著自身的最薄弱面發(fā)生，但由于加載方式的不同，最終的破壞往往與理論存在偏差甚至背離。

2.1宏、細(xì)觀破裂形式

對(duì)于直接法分析巖石材料的破壞特征，李浩等[49]通過觀察破壞后的試樣發(fā)現(xiàn)，無圍壓狀態(tài)下的試樣呈軸向劈裂破壞，并且主裂紋平行于壓縮方向，而在圍壓狀態(tài)下的破壞形式主要是剪切破壞，同時(shí)伴生長(zhǎng)短不一的軸向和傾斜裂紋。同樣的破壞特征也被郭臣業(yè)等[50]發(fā)現(xiàn)，并且通過進(jìn)一步觀察分析可知，在低圍壓下試樣的破壞形式是單剪切破壞，在中高圍壓下往往呈典型的“X”共軛斜面剪切形式。除了上述對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)外，還有學(xué)者通過循環(huán)加載試驗(yàn)研究試樣的斷裂力學(xué)行為。付安琪等[51]首先利用分離式霍普金森（SHPB）系統(tǒng)對(duì)中心直切槽半圓盤（NSCB）進(jìn)行固定氣壓的循環(huán)沖擊試驗(yàn)，再對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，結(jié)果表明造成預(yù)損傷較小的試樣的破壞原因主要是預(yù)制裂縫到加載點(diǎn)之間的直線貫穿裂紋，然而對(duì)于預(yù)先損傷程度較大的試樣來說，由于內(nèi)部微裂隙的充分發(fā)育，導(dǎo)致裂紋的發(fā)展路徑愈發(fā)復(fù)雜，表現(xiàn)為非純張拉破壞，同時(shí)還造成了試樣加載端部的局部破壞。劉亮等[52]通過循環(huán)加載和非循環(huán)加載的方式進(jìn)行人字形切槽巴西圓盤（CCNBD）試驗(yàn)，以研究不同加載路徑下的斷裂力學(xué)行為，結(jié)果證明循環(huán)加載并不會(huì)改變?cè)嚇拥钠茐哪Ｊ?，但循環(huán)加載過程中累積產(chǎn)生的微裂紋會(huì)在一定程度上影響主裂紋的擴(kuò)展方向。

相比于其他循環(huán)試驗(yàn)下的破壞特征，試樣在循環(huán)沖擊試驗(yàn)下的破壞特征更具復(fù)雜性。金解放等[53]采用自主研制的動(dòng)靜組合加載系統(tǒng)對(duì)靜載狀態(tài)下的砂巖試樣進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，探究其破裂機(jī)理。研究表明：當(dāng)無靜載作用時(shí)，破裂面基本都平行于試樣的縱向面，不出現(xiàn)“端部效應(yīng)”，且無明顯摩擦痕跡，該結(jié)論也得到了LI等[54]的驗(yàn)證;當(dāng)無圍壓有軸壓時(shí)，初次破壞形式呈弧線形，兩端面基本無損傷，中部破損嚴(yán)重，有少量巖石顆粒脫落，“端部效應(yīng)”明顯，后續(xù)沖擊破壞是在此基礎(chǔ)上的擴(kuò)展，最終形成張裂面和剪切面;當(dāng)有軸壓有圍壓時(shí)，巖樣的破壞模式呈“圓錐體”，錐體外的巖塊屬于張裂破壞，整體存在明顯的摩擦痕跡，這也與YE等[55]觀察到的現(xiàn)象一致。章航等[56]同樣利用分離式的霍普金森壓桿系統(tǒng)探究循環(huán)沖擊荷載下巖石材料尺寸效應(yīng)與破壞模式之間的關(guān)系，結(jié)果顯示低彈速下隨著高徑比增加，試樣整體的應(yīng)變率下降，導(dǎo)致破碎度也隨之降低，此外試樣整體呈軸向劈裂破壞，出現(xiàn)縱向劈裂裂紋;高彈速下隨著高徑比增加，試塊的破壞模式由軸向劈裂轉(zhuǎn)變成僅邊緣少數(shù)脫落。

通過對(duì)上述試驗(yàn)現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，不管是沖擊力的大小，還是是否存在軸壓或圍壓，當(dāng)采取不同的試驗(yàn)條件和手段時(shí)，試樣宏觀破裂面的改變實(shí)質(zhì)上取決于內(nèi)部微裂紋的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)。由于微觀裂紋在不同應(yīng)力條件下的擴(kuò)展和斷裂力學(xué)行為存在差異，因此從細(xì)觀破裂形式來分析循環(huán)荷載下巖石材料的破壞特征更加真實(shí)有效。利用掃描電鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)，循環(huán)荷載下，因?yàn)榱Φ耐鶑?fù)作用，試樣內(nèi)部的微裂紋有充分的時(shí)間調(diào)整，導(dǎo)致礦物顆粒很少發(fā)生穿晶破壞，裂紋往往沿晶粒邊緣擴(kuò)展，形成大量的沿晶裂紋。同時(shí)由于循環(huán)荷載作用，內(nèi)部破壞面的反復(fù)張開與閉合，摩擦產(chǎn)生大量的碎屑，使得最終的破碎度較高。這些成果對(duì)于搭建宏觀破裂面和細(xì)觀破裂形式之間的橋梁起到了至關(guān)重要的作用。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于循環(huán)荷載下巖石材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析還不夠深入，更多的研究還有待進(jìn)一步開展。

2.2破壞預(yù)測(cè)方法

對(duì)于間接法分析巖石材料的破壞特征而言，自從VEREJONES[57]通過裂紋擴(kuò)展的統(tǒng)計(jì)理論首次提出了地震臨界點(diǎn)概念，之后被越來越多的研究者證實(shí)，逐漸形成了成熟的地震臨界點(diǎn)理論。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)對(duì)于巖石材料的破壞也存在明顯的臨界點(diǎn)現(xiàn)象。

張暉輝等[58]發(fā)現(xiàn)能量加速釋放和加卸載響應(yīng)比（LURR）劇增可以作為巖石破壞的前兆現(xiàn)象，進(jìn)一步，劉建坡等[59]定量地分析了以彈性模量為參數(shù)的加卸載響應(yīng)比對(duì)巖石破壞特征的影響，認(rèn)為當(dāng)加卸載響應(yīng)比達(dá)到或接近1時(shí)，可以作為失穩(wěn)破壞的前兆。鄧華鋒等[60]的研究顯示：在巖石材料破壞的前夕加卸載響應(yīng)比確實(shí)有明顯增大，但破壞卻是發(fā)生在加卸載響應(yīng)比達(dá)到極值的后一次循環(huán)中。同時(shí)還可以以能量參數(shù)和殘余應(yīng)變等的突變?yōu)榕袚?jù)預(yù)測(cè)試樣的破壞，其中循環(huán)耗散能占比、損傷應(yīng)變能、應(yīng)力-應(yīng)變滯后時(shí)間差、應(yīng)變峰值等被證實(shí)在巖石材料破壞前都有明顯突變，且具有良好的一致性。此外，聲發(fā)射技術(shù)或紅外技術(shù)也是常用的研究手段，李楠等[61]發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)在循環(huán)加載過程中階段性特征明顯，臨近破壞時(shí)，聲發(fā)射能量和脈沖數(shù)突增。谷中元等[62]綜合利用紅外AIRT檢測(cè)、紅外熱成像及溫度場(chǎng)的頻數(shù)直方圖分析得出：由于巖石材料破壞時(shí)的局部應(yīng)力集中導(dǎo)致內(nèi)部局部溫度急劇升高，通過其溫度的顯著波動(dòng)現(xiàn)象，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖石的破壞。

因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，大量的研究結(jié)果證明巖石在循環(huán)荷載破壞前具有顯著的臨界點(diǎn)現(xiàn)象，通過試驗(yàn)參數(shù)的分析可以得到巖石相應(yīng)的破壞特征，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和試驗(yàn)設(shè)備對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確預(yù)判巖體的災(zāi)變，從而對(duì)提高實(shí)際工程的安全穩(wěn)定具有正面作用。

3 結(jié)論與展望

在總結(jié)近年來巖石材料在循環(huán)荷載下力學(xué)特性的相關(guān)研究之后可以發(fā)現(xiàn)，前人在相關(guān)方面做了大量的研究，也取得了豐碩的成果，促進(jìn)了巖石力學(xué)的研究進(jìn)展。循環(huán)荷載下巖石材料力學(xué)特性的研究是巖石力學(xué)不可或缺的一部分，同時(shí)也是實(shí)際工程設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)需要掌握的必要條件之一。但是，目前仍有很多問題需要更加深入的研究，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）循環(huán)荷載有關(guān)于頻率影響因素下巖石材料的力學(xué)特性出現(xiàn)了2種完全相悖的結(jié)論，綜合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn)對(duì)于高低頻的區(qū)別并沒有清晰的界定，因此可以在更寬范圍內(nèi)研究頻率對(duì)力學(xué)特性的影響，從而得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

2）巖石材料是一種經(jīng)過地質(zhì)演變和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的天然非均質(zhì)材料，具有高度的各向異性，巖石材料的類型眾多，加之循環(huán)荷載的加載路徑也更為復(fù)雜，因此表現(xiàn)出來的力學(xué)特性也不盡相同。雖然學(xué)者們?cè)诩姺睆?fù)雜的結(jié)論中找到了一定的共性，但依然很難描述出其準(zhǔn)確的力學(xué)特性，如何將現(xiàn)有的力學(xué)理論與數(shù)值模擬手段結(jié)合起來研究巖石材料的力學(xué)特性是接下來值得深入研究的方向。

3）循環(huán)荷載作用下巖石材料的破壞主要是由于內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)一步合并形成宏觀裂紋，因此從細(xì)觀角度可以很好地解釋循環(huán)荷載和其他加載形式的力學(xué)特性的不同。目前，SEM、CT掃描技術(shù)在巖石力學(xué)其他領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，但這些技術(shù)對(duì)循環(huán)荷載下的研究較少，因此相關(guān)研究還需要大力開展，從而更好地了解細(xì)觀角度下巖石的破裂形式。

同時(shí)，循環(huán)加載對(duì)巖石材料的強(qiáng)度是否具有劣化作用也有不同的見解。大多數(shù)研究認(rèn)為循環(huán)加載過程產(chǎn)生的累積損傷最終會(huì)造成巖石強(qiáng)度的劣化，但少數(shù)人卻認(rèn)為有限次的循環(huán)加載對(duì)巖石的強(qiáng)度具有強(qiáng)化作用。但需要注意的是，這種強(qiáng)化特征主要是通過巖石顆粒間的摩擦來實(shí)現(xiàn)的，因此它的強(qiáng)化是指承載能力的強(qiáng)化，而并非是材料本身強(qiáng)度的強(qiáng)化，這是2個(gè)截然不同的概念。

頻率對(duì)循環(huán)荷載下巖石材料性能的影響實(shí)質(zhì)是加載速率的影響。頻率越高，單個(gè)周期內(nèi)荷載作用的時(shí)間越短，加載速率也就越大。隨著加載速率的增加，不同的研究者觀察到了不同的試驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)論也有一定的差異，甚至相悖。綜合學(xué)者們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載試驗(yàn)中對(duì)于高低頻的區(qū)分并沒有嚴(yán)格的界定。得出變形隨頻率增加而增加的學(xué)者在試驗(yàn)中設(shè)置的頻率范圍往往較小，大多在1 Hz以內(nèi)。而得出變形隨頻率增加而減小的學(xué)者設(shè)置的頻率范圍較大，基本超過了1 Hz，最高達(dá)到了15 Hz。也許這正是相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論相悖的原因，也從側(cè)面證明頻率對(duì)于循環(huán)荷載試驗(yàn)的影響較大，試驗(yàn)時(shí)需謹(jǐn)慎作出選擇。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]曾晟，王少平，張妮.沖擊荷載下巖石裂紋擴(kuò)展研究進(jìn)展[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2019，27（1）：52-62.

[2]BURDINE N T.Rock failure under dynamic loading conditions[J].Society of Petroleum Engineers Journal，1963，3（1）：1-8.

[3]HAIMSON B C，KIM C M.Mechanical behaviour of rock under cyclic fatigue[C]∥ASCE.Cording EJ（ed） stability of rock slopes.Proceedings of the 13th symposium on rock mechanics.New York：ASCE，1972：845-863.

[4]WANG Z，LI S，QIAO L，et al.Finite element analysis of the hydromechanical behavior of an underground crude oil storage facility in granite subject to cyclic loading during operation[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2015，73：70-81.

[5]張媛，許江，楊紅偉，等.循環(huán)荷載作用下圍壓對(duì)砂巖滯回環(huán)演化規(guī)律的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（2）：320-326.

[6]席道瑛，陳運(yùn)平，陶月贊，等.巖石的非線性彈性滯后特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（6）：1 086-1 093.

[7]陳運(yùn)平，席道瑛，薛彥偉.循環(huán)荷載下飽和巖石的滯后和衰減[J].地球物理學(xué)報(bào)，2004，47（4）：672-679.

[8]康紅普，范明建，高富強(qiáng)，等.超千米深井巷道圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（11）：2 227-2 241.

[9]謝和平.深部巖體力學(xué)與開采理論研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（5）：1 283-1 305.

[10]盧應(yīng)發(fā)，張梅英，葛修潤(rùn).大理巖靜態(tài)和循環(huán)荷載試件的電鏡試驗(yàn)分析[J].巖土力學(xué)，1990，11（4）：77-82.

[11]楊永杰，宋揚(yáng)，楚俊.循環(huán)荷載作用下煤巖強(qiáng)度及變形特征試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（1）：201-205.

[12]王者超，趙建綱，李術(shù)才，等.循環(huán)荷載作用下花崗巖疲勞力學(xué)性質(zhì)及其本構(gòu)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（9）：1 888-1 900.

[13]張英，苗勝軍，郭奇峰，等.循環(huán)荷載下花崗巖應(yīng)力門檻值的細(xì)觀能量演化及巖爆傾向性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（7）：864-873.

[14]任建喜，蔣宇，葛修潤(rùn).單軸壓縮巖石疲勞壽命影響因素試驗(yàn)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（11）：47-50.

[15]GONG M，SMITH I.Effect of waveform and loading sequence on lowcycle compressive fatigue life of spruce[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（1）：93-99.

[16]XIAO J Q，DING D X，XU G，et al.Waveform effect on quasidynamic loading condition and the mechanical properties of brittle materials[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，45（4）：621-626.

[17]何明明，李寧，陳蘊(yùn)生，等.不同循環(huán)加載條件下巖石阻尼比和阻尼系數(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（9）：2 531-2 538.

[18]李子運(yùn)，吳光，黃天柱，等.三軸循環(huán)荷載作用下頁巖能量演化規(guī)律及強(qiáng)度失效判據(jù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（3）：662-670.

[19]肖建清，丁德馨，徐根，等.常幅循環(huán)荷載下巖石的變形特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，41（2）：685-691.

[20]何明明，李寧，陳蘊(yùn)生，等.分級(jí)循環(huán)荷載下巖石動(dòng)力學(xué)行為試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（10）：2 907-2 913.

[21]李江騰，肖峰，馬鈺沛.單軸循環(huán)加卸載作用下紅砂巖變形損傷及能量演化[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，47（1）：139-146.

[22]鄧華鋒，胡玉，李建林，等.循環(huán)荷載的頻率和幅值對(duì)砂巖動(dòng)力特性的影響[J].巖土力學(xué)，2017，38（12）：3 402-3 409，3 418.

[23]徐建光，張平，李寧.循環(huán)荷載下斷續(xù)裂隙巖體的變形特性[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（6）：802-806.

[24]祝艷波，黃興，郭杰，等.循環(huán)荷載作用下石膏質(zhì)巖的疲勞特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（4）：940-952.

[25]席道瑛，徐松林，李廷，等.巖石中微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)外力和溫度響應(yīng)的概率研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（1）：15-21.

[26]馬林建，劉新宇，許宏發(fā)，等.循環(huán)荷載作用下鹽巖三軸變形和強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（4）：849-856.

[27]郭印同，趙克烈，孫冠華，等.周期荷載下鹽巖的疲勞變形及損傷特性研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（5）：1 353-1 359.

[28]FAN J，JIE C，JIANG D，et al.Discontinuous cyclic loading tests of salt with acoustic emission monitoring[J].International Journal of Fatigue，2017，94（S1）：140-144.

[29]倪驍慧，李曉娟，朱珍德，等.不同頻率循環(huán)荷載作用下花崗巖細(xì)觀疲勞損傷量化試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（2）：422-427.

[30]蔡國(guó)軍，馮偉強(qiáng)，趙大安，等.三軸循環(huán)荷載下砂巖變形及損傷力學(xué)試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電，2019，45（10）：44-48，74.

[31]張志鎮(zhèn)，高峰.受載巖石能量演化的圍壓效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（1）：1-11.

[32]蘇承東，張振華.大理巖三軸壓縮的塑性變形與能量特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（2）：273-280.

[33]彭瑞東，鞠楊，高峰，等.三軸循環(huán)加卸載下煤巖損傷的能量機(jī)制分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（2）：245-252.

[34]FUENKAIORN K，PHUEAKPHUM D.Effects of cyclic loading on mechanical properties of Maha Sarakham salt[J].Engineering Geology，2010，112（1/2/3/4）：43-52.

[35]FAORO I，VINCIGUERRA S，MARONE C，et al.Linking permeability to crack density evolution in thermally stressed rocks under cyclic loading[J].Geophysical Research Letters，2013，40：2 590-2 595.

[36]蔣宇，葛修潤(rùn)，任建喜.巖石疲勞破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（11）：1 810-1 814.

[37]許江，大久保誠(chéng)介，鮮學(xué)福.循環(huán)載荷對(duì)三城目安山巖變形特性的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，23（6）：38-41.

[38]付小敏，熊魂，王從顏，等.三軸循環(huán)荷載下巖石的變形及阻尼特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（2）：1-4.

[39]蔣長(zhǎng)寶，魏財(cái)，莊萬軍，等.等幅循環(huán)荷載下頁巖的變形特性及能量演化機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，39（12）：45-57.

[40]趙國(guó)凱，胡耀青，靳佩樺，等.實(shí)時(shí)溫度與循環(huán)載荷作用下花崗巖單軸力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（5）：927-937.

[41]陳運(yùn)平，王思敬，王恩志.循環(huán)荷載下層理巖石的彈性和衰減各向異性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（11）：2 233-2 239.

[42]席道瑛，張程遠(yuǎn)，劉小燕.低圍壓和疲勞載荷下砂巖的波速，模量及疲勞損傷（Ⅱ）：巖石的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（13）：2 168-2 171.

[43]胡躍飛，胡耀青，趙國(guó)凱，等.溫度和應(yīng)力循環(huán)作用下花崗巖力學(xué)特性變化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，39（4）：61-70.

[44]YANG S Q，RANJITH P G，HUANG Y H，et al.Experimental investigation on mechanical damage characteristics of sandstone under triaxial cyclic loading[J].Geophysical Journal International，2015，201（2）：662-682.

[45]周陽，蘇生瑞，馬洪生.循環(huán)荷載作用下綠泥石千枚巖彈性模量演化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，51（3）：783-792.

[46]王述紅，王子和，王凱毅，等.循環(huán)荷載下含雙裂隙砂巖彈性模量的演化規(guī)律[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（2）：133-137.

[47]張琰，李江騰.單調(diào)及循環(huán)加載下大理巖斷裂特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（增刊2）：41-48.

[48]樊秀峰，簡(jiǎn)文彬.砂巖疲勞特性的超聲波速法試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（3）：557-563.

[49]李浩，徐衛(wèi)亞，王蘇生.致密砂巖循環(huán)加載試驗(yàn)及能量演化分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（2）：86-91.

[50]郭臣業(yè)，鮮學(xué)福，姜永東，等.砂巖加載試驗(yàn)峰后變形，破壞與應(yīng)變能特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（增刊2）：3 892-3 898.

[51]付安琪，蔚立元，蘇海健，等.循環(huán)沖擊損傷后大理巖靜態(tài)斷裂力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（10）：2 021-2 030.

[52]劉亮，杜廣印，李二兵，等.北山花崗巖斷裂力學(xué)行為及其聲發(fā)射特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，39（增刊2）：3 237-3 244.

[53]金解放，李夕兵，王觀石，等.循環(huán)沖擊載荷作用下砂巖破壞模式及其機(jī)理[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（4）：254-262.

[54]LI X B，LOK T S，ZHAO J.Dynamic Characteristics of Granite Subjected to intermediate loading rate[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2005，38（1）：21-39.

[55]YE Z Y，LI X B，LIU X，et al.Testing studies on rock failure modes of statically loads under dynamic loading[J].Transactions of Tianjin University，2008，14（1）：530-535.

[56]章航，王志亮，盧志堂，等.循環(huán)沖擊荷載下花崗巖力學(xué)特性尺寸效應(yīng)[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2020（2）：107-115.

[57]VEREJONES D.Statistical theories of crack propagation[J].Mathematical Geology，1977，5（9）：455-481.

[58]張暉輝，顏玉定，余懷忠，等.循環(huán)載荷下大試件巖石破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)——巖石破壞前兆的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（21）：3 621-3 628.

[59]劉建坡，李元輝，楊宇江.基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)循環(huán)載荷下巖石損傷過程[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（10）：1 476-1 479.

[60]鄧華鋒，胡亞運(yùn)，李建林，等.考慮滯后效應(yīng)的巖石加卸載響應(yīng)比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（增刊1）：2 915-2 921.

[61]李楠，王恩元，趙恩來，等.巖石循環(huán)加載和分級(jí)加載損傷破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（7）：1 099-1 103.

[62]谷中元，周科平.單向循環(huán)加載下花崗巖力學(xué)特性及紅外分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（8）：146-151.

作者簡(jiǎn)介：孫冰（1979—），女，河南平頂山人，教授，博士，研究方向?yàn)閹r石力學(xué);湖南省衡陽市常勝西路28號(hào)，南華大學(xué)土木工程學(xué)院，421001;E-mail：sunbingnh@126.com

通信作者，E-mail：usczengs@126.com，18773487811

孫冰，劉順，曾晟，樊軍偉，尹裕，陳寅（1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院; 2.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院;3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司; 4.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司）

Research progress of mechanical properties of rock materials under circulating loadingSun Bing，Liu Shun，Zeng Sheng，F(xiàn)an Junwei，Yin Yu，Chen Yin

（1.School of Civil Engineering，University of South China;

2.School of Resource & Environment and Safety Engineering，University of South China;

3.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.;

4.Xinjiang Kalatongke Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Rock mass in engineering practice is often subjected to circulating loads such as geological tectonic movement，engineering construction and secondary stress field，which shows different mechanical properties from monotonic loads.In order to study the mechanical properties of rock material under circulating load，the study summarized and analyzed from the 3 aspects of strength characteristics，deformation characteristics and failure characteristics，at the same time put forward some suggestions to the limitations of existing research：to study the effect of frequency on circulating mechanical characteristics in a wider frequency range，thus to reach more accurate conclusion;to study the circulating mechanical properties of rock materials by combining the existing mechanical theories with numerical simulation methods;scanning electron microscopy and insitu CT scanning were used to conduct indepth research on the microstructure of rock mechanical properties under circulating loading to explore the instability failure mechanism of rock materials.

Keywords：rock mechanics;circulating load;strength characteristics;deformation characteristics;failure characteristics