路基中粒砂岩在差速疲劳荷载作用下的变形与能量演化特征

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0773

摘要/Abstract

摘要：

为揭示路基中粒砂岩在差速疲劳荷载作用下的力学响应机制，本文通过室内试验研究了三种加载模式（慢加快卸、等速加卸载、快加慢卸）下砂岩的变形特征与能量演化规律。试验采用MTS 322岩石力学测试系统，对试样进行分级循环加载，分析了试样的峰值应变、残余应变及能量耗散的动态变化。结果表明：不同加载模式下，砂岩应变表现稳定，残余应变与循环阶段变形差接近；慢加快卸模式峰值应变最大，快加慢卸模式峰值应变最小，残余应变初期因内部缺陷压密呈对数增长，后续随最大循环应力线性增加。输入能与弹性能随循环次数阶梯式上升，慢加快卸模式下耗散能增速显著高于其他模式；单个循环级中首个循环耗散能较高，均值耗散能与最大循环载荷呈指数关系。耗散能比随循环次数波动并逐渐收敛，其变化与材料内部损伤不均匀性及加载应力波动密切相关。研究揭示了加载速率对砂岩疲劳性能的影响机制，为道路基层材料选择与结构优化提供了理论依据。

关键词: 中粒砂岩, 差速疲劳荷载, 力学特性, 峰值应变, 残余应变, 能量耗散

Abstract:

In order to reveal the mechanical response mechanism of medium-grained sandstone under differential fatigue load， this paper studied the deformation characteristics and energy evolution law of sandstone under three loading modes （slow loading and rapid unloading， constant speed loading and unloading， rapid loading and slow unloading） through laboratory tests. The dynamic changes of peak strain， residual strain and energy dissipation of the samples were analyzed by MTS 322 rock mechanics test system. The results show that under varying loading modes， the strain exhibited by sandstone remains consistent， with the residual strain approximating the deformation discrepancy between successive cyclic stages. The peak strain is observed to be largest in the slow and fast unloading mode， and smallest in the fast and slow unloading mode. Furthermore， the residual strain exhibits a logarithmic growth at the initial stage due to the compression and density of the internal defects， and increases linearly with the maximum cyclic stress in subsequent stages. The input energy and elastic energy increase stepwise with the number of cycles， and the dissipation energy increase rate is significantly higher in the slow-plus-slow unloading mode than in the other modes. The dissipation energy of the first cycle of a single cyclic stage is elevated， and the mean dissipation energy is exponentially associated with the maximum cyclic load. The dissipated energy ratio fluctuates and converges with the number of cycles， a phenomenon that is closely related to the internal damage inhomogeneity of material damage and the fluctuation of loading stress. The present study elucidates the influence mechanism of loading rate on the fatigue performance of sandstone， thereby providing a theoretical basis for the selection of road base layer materials and structural optimization.

Key words: medium-grained sandstone, differential fatigue loading, mechanical property, peak strain, residual strain, energy dissipation

中图分类号:

TU45

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图/表 12

图1 试样前处理

Fig.1 Specimen pre-treatment

图2 MTS322岩石力学测试系统

Fig.2 MTS322 rock mechanics test system

表1 三种加载模式说明

Table 1 Explanation of three loading modes

Loading mode	Loading time t₁/s	Unloading time t₂/s	Sample No.	Total duration of a single cycle/s	Loadfrequency/Hz
Mode 1： slow loading and rapid unloading	4.0	1.0	S1， S2	5	0.2
Mode 2： constant speed loading and unloading	2.5	2.5	S3， S4	5	0.2
Mode 3： rapid loading and slow unloading	1.0	4.0	S5， S6	5	0.2

图3 试验路径设计

Fig.3 Test path design

图4 三种能量计算原理示意图

Fig.4 Schematic diagram of three energy calculation principles

图5 三种加载模式下的应力-应变曲线

Fig.5 Stress-strain curves in three loading modes

表2 试样的物理参数

Table 2 Physical parameters of samples

Sample No.	Diameter/mm	Height/mm	Mass/g	Density/（g·cm^-3）	Longitudinal wave velocity/（m·s^-1）	Breaking strength/MPa
S1	49.75	100.30	503.3	2.58	4 238	67.9
S2	50.01	100.50	522.1	2.64	4 387	142.8
S3	50.10	100.25	520.0	2.63	4 066	108.6
S4	50.20	99.60	517.5	2.63	4 099	87.7
S5	50.05	99.55	516.7	2.64	4 547	148.6
S6	50.05	100.75	524.7	2.65	4 167	123.5

图6 轴向峰值应变与循环次数的关系

Fig.6 Relationship between peak axial strain and number of cycles

图7 轴向残余应变与循环次数的关系

Fig.7 Relationship between axial residual strain and number of cycles

图8 能量密度与循环次数的变化

Fig.8 Variation of energy density with number of cycles

图9 均值耗散能与循环级的关系

Fig.9 Relationship between mean dissipation energy and cyclic level

图10 耗散能比与循环次数的关系

Fig.10 Relationship between dissipation energy ratio and number of cycles

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