1 绪论
1.1 引言
岩体是天然存在的，它作为一种建筑材料，在实际开挖与建造中较为常见。受自然灾害与人类行为的影响，岩石实际并非只承受静载作用，同时也会遭遇动载作用。由于其本身的特性和工程实际具有较高的相关性，因此，对岩石特性进行深入研究意义重大[1,2]。
“国际岩石力学学会”成立以来，国内外学者在岩石特性研究领域的成果颇丰。不仅对静载作用下的岩石进行研究，而且对循环荷载下岩石特性进行了大量的研究。岩石通常与土木建筑、边坡工程紧密相连，岩体的疲劳破坏机制对工程的稳定性密切相关，其工程特性也直接影响到工程的安全运营[3-5]。
本文基于对岩体工程不同工况的考虑，通过一系列的室内试验，研究砂岩在循环荷载作用下的能量特性，是一项很有意义的基础性研究。
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1.2 岩体研究的发展与现状
1.2.1 岩石在循环荷载作用下的力学特性研究
目前，关于循环加载下岩体的研究较为丰富。葛修润等[6]采用 150B-RMT 岩石力学试验机进行循环荷载试验，通过几类岩石的测试结果，对其疲劳特性进行了研究。
Eberhardt 等[7]进行了单轴循环荷载试验，对脆性岩石的断裂损伤特性进行探究，同时分析了断裂损伤准则。
Tutuncu 等[8]以沉积岩为研究对象，对其在循环荷载下的力学特性进行了剖析，结果表明加载频率、应变振幅对滞回环的特性具有重要影响。
M.N.Bagde 和 V.Petros 等[9]对砂岩的疲劳试验研究，分析表明：随着应力幅值和频率的增加，岩石动态疲劳强度呈减小趋势；然而对循环载荷峰值和谷值加以归一化后可以看出，疲劳强度随着幅值和频率的增加有了增加的趋势。
马林建等[10]研究了盐岩在不同围压与不同加载波形下的力学特性。分析表明：荷载的应力上限与应力幅值的增加均可加速试样的塑性变形，同时，频率、应力下限与围压的减小亦可促进变形的累积，其原因是这些方式使稳态阶段在整个变形阶段的占比减小，进而加速了试件的破坏。
邓华锋和胡玉等[11]通过试验探究频率和幅值与试样动力特性的关系，发现影响效果较为显著，故在进行结构动力的分析时，应将两个因素进行综合考量，进而确定更为合理的动力参数。
谷中红和周科平等[12]通过单轴循环加载试验对花岗岩的力学特性进行探究，并且采用 FLIR SC7000 系统进行红外热成像分析。
严鹏等[13]进行了声波试验，由分析可知，岩石的粘聚力随着声波速度的增大而提高，然而，内摩擦角却随之减小。
冯小东和刘高等[14]对比分析三种不同含水状态下砂岩的力学特性，研究发现：在饱和状态下，试样的强度最低，天然状态次之，干燥状态最高，而变形则反之。说明水可软化砂岩；随着循环次数的增加，卸载模量先增大后减小，且相同循环次数下，卸载模量随含水量的增大而减小。
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2 试验设计
2.1 试样制备
为了减小因试样本身的物理性质所带来的试验误差，本文以取自同一岩块、且表面平整的砂岩进行试验。钻样前、后的砂岩石块，见图 2-1。
根据岩石的常规力学性能测试要求进行标准试件的制作，首先利用钻孔取样机得到? 50mm 圆柱试样，钻孔取样机如图 2-2 所示；再通过岩石切割机与端面磨石机得到符合国际标准的砂岩试样。尺寸为? 50mm ×100mm 的砂岩标准试样见图 2-3，不同高径比的砂岩试样见图 2-4。
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2.2 试样系统
2.2.1 概述
本文分别进行了单轴循环试验与三轴循环试验。试验仪器为 1500-WDT 大型多功能材料试验机，由岩土工程研究所与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制，主要进行混凝土、岩石等高强度材料的刚性伺服动态力学试验，该系统精度高、稳定性较好，同时具有较高的可靠度，从而有效地保证了试验的稳步进行。试验机如图 2-5 所示。
2.2.2 试验机的主要技术指标
试验机主要技术指标见表 2-1。
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3 不同应力幅值下砂岩能量特性研究..................................17
3.1.1 能量与循环次数特性分析.......................................21
3.1.2 能量与残余应变特性分析...................................22
4 不同围压下砂岩能量特性研究.................................37
4.1 砂岩能量特性.................................38
4.2 砂岩耗散能特性......................................38
4.3 砂岩弹性能特性..................................39
5 不同频率下砂岩能量特性研究........................................45
5.1 砂岩能量特性.........................................46
5.1.1 能量与循环次数特性分析.........................................46
5.1.2 耗散能与循环次数特性分析......................................47
7 循环荷载作用下砂岩耗散能模型的建立
7.1 循环荷载下耗散能模型
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8 结论与展望
8.1 结论
本文主要进行了砂岩在不同应力幅值、不同围压、不同加载频率、不同应变速率与尺寸效应条件下的循环荷载试验，研究了砂岩在循环荷载作用下的能量演化规律特性，得到以下结论：
（1）在加载速率与频率一定的条件下，试样在应力幅值 15MPa、30MPa、45MPa 和55MPa 下分别循环了 130、102、50、17 次达到破坏，可见，随应力幅值的增大，砂岩试样达到破坏时的循环次数在减小，岩石破坏得越迅速，说明应力幅值的增大加快了岩石破坏。当应力幅值由 15MPa 增加到 55MPa 时，岩样破坏时能量、弹性能、耗散能的增幅分别为 234.47%、216.23%、99.04%，前两者的增幅较耗散能更为明显。在应力幅值为 15MPa、30MPa、45MPa 的条件下，砂岩吸收的累积总能量分别为 5.14J/cm3、10.01J/cm3、8.04J/cm3，而应力幅值为 55MPa 时岩样的循环次数最少，相应的累积总能量仅为 2.95J/cm3。砂岩累积总能量随着循环次数的增加大致呈指数形式增长，累积总能量随累积残余应变的增加而增加，增速由慢变快，大致呈非线性增长趋势。
（2）砂岩的屈服强度随着围压的增大而增加，围压18MPa较6MPa时增强了53.11%，这是由于围压越大，岩样受到的约束越大，岩样内部裂隙扩展则需要更大的力，因而使得岩样的强度提高。围压为 9MPa 时的能量、耗散能比围压为 6MPa 时增长了 458.66%、472.51%，围压为 18MPa 时的能量、耗散能比 12MPa 时增长了 29.43%、18.26%。这表明围压的增大提高了砂岩能量积聚的能力。能量、耗散能、弹性能的极限值随围压的增大而增加，表现出较强的敏感性。围压的增大，提高了砂岩试样能量积聚与耗散的能力。
（3）试样的破坏强度随着频率的增大呈现先增大随后减小的趋势，频率为 1.0Hz 时强度达到最大；试样在不同频率下的疲劳寿命分别为 44、138、265、560，增加的幅度分别为 213.64%、92.03%、111.32%，说明砂岩有较强的率敏感性。相同加载条件下，不同频率下试样的能量均随着循环次数的增加增加，耗散能均随着循环次数的增加而减小。当频率为 0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz 和 4.0Hz 时，试样达到破坏时累积总能量相继增加了293.80%、53.38%、170.89%。由此可见，随着频率的增大，破坏前累积总能量也在增加。
参考文献（略）