具有双重裂隙的冻融循环红色砂岩的单轴疲劳力学性能分析及其本构模型建立

《Applied Sciences》：Analysis of Uniaxial Fatigue Mechanical Properties and Constitutive Modeling for Freeze–Thaw Cycled Red Sandstone with Double Fissures

　　

摘要

本研究探讨了寒冷地区冻融-疲劳耦合作用下破裂岩体力学行为的挑战。对具有双重裂缝的红砂岩进行了单轴阶梯递增循环加载试验，这些试验在不同数量的冻融循环条件下进行，以揭示损伤演化规律。基于变阶分数导数理论，通过对传统Nishihara模型中的粘塑性组分中的Abel阻尼器替换为变阶分数阻尼器，改进了该模型，从而建立了一个能考虑冻融损伤的疲劳变形本构模型。该模型的创新之处在于将变阶分数粘塑性元件与阶梯循环加载等效性、疲劳阈值控制的变形以及冻融损伤退化过程相结合，而不仅仅是简单地替换了经典Nishihara模型中的阻尼器。实验结果表明，冻融循环会加速岩体的宏观损伤。随着冻融循环次数的增加，裂缝启动应力、膨胀应力和峰值应力逐步减小。岩样表现出显著的软化特性，伴随着膨胀加剧、原有缺陷尖端次级裂缝的扩展以及破坏模式向剪切破坏的转变。通过分析循环加载最后两个阶段的平均应力与轴向变形曲线，确定了冻融损伤双裂缝砂岩的疲劳阈值应力比，证实冻融损伤降低了岩体的疲劳强度。