Analysis of Uniaxial Fatigue Mechanical Properties and Constitutive Modeling for Freeze- Thaw Cycled Red Sandstone with Double Fissures

Technische Samenvatting: Analyse van de mechanische eigenschappen van eenaxiale vermoeidheid en constitutieve modellering voor bevriezings-dooi-gecyclede rode zandsteen met dubbele fissuren

Probleemstelling
De techniek van gesteentemassa's in koude regio's, zoals spoorwegen, tunnels en hellingen, wordt geconfronteerd met aanzienlijke veiligheidsdreigingen door de koppeling van bevriezings-dooi-cycli en cyclische belasting (bijv. verkeersbelastingen en constructiestoringen). Hoewel de individuele effecten van bevriezings-dooi-schade en vermoeidheidsdeformatie op gesteente afzonderlijk zijn bestudeerd, blijft het specifieke mechanische gedrag van gebarsten gesteentemassa's onder de gecombineerde invloed van deze factoren onvoldoende begrepen. Deze studie adresseert de uitdaging om de vermoeidheidsmechanische eigenschappen en de schadeontwikkeling van dubbel gefissureerde rode zandsteen onderhevig aan bevriezings-dooi-cycli te karakteriseren, met als doel een theoretische basis te bieden voor kwantitatieve schadebeschrijving en stabiliteitsbeoordeling.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een combinatie van experimentele testen en theoretische modellering:

• Monsterpreparatie: Standaard cilindrische rode zandsteenmonsters ($\phi$50 mm $\times$ 100 mm) werden voorbereid met twee vooraf gemaakte fissuren (diphoek 45°, lengte 20 mm) en een gesteentebrug (diphoek 120°, lengte 28,28 mm).
• Bevriezings-dooi-cycli: De monsters werden onderworpen aan 0, 10 en 20 bevriezings-dooi-cycli. Elke cyclus omvatte vacuümverzadiging gevolgd door bevriezing bij -30°C gedurende 12 uur en ontdooiing bij 20°C gedurende 12 uur.
• Mechanische Testen:
  • Statische Testen: Conventionele eenaxiale compressietesten werden uitgevoerd om de piekspanning, elasticiteitsmodulus, cohesie, interne wrijvingshoek en karakteristieke spanningen (scheurinitiatie en dilatantie) te bepalen.
  • Vermoeidheidstesten: Een eenaxiale stapsgewijze incrementele cyclische belastingstest werd uitgevoerd onder een begrensdruk van 0 MPa. Het belastingsschema begon bij 0,3$\sigma_f$ (ondergrens) en 0,8$\sigma_f$ (bovengrens), waarbij de bovengrens elke 1.000 cycli met 0,05$\sigma_f$ toenam tot breuk.
• Constitutieve Modellering: Een vermoeidheidsdeformatie-constitutief model is ontwikkeld op basis van het Nishihara-model. De traditionele Abel-dashpot in het viscoplastic component werd vervangen door een variabele-orde fractionele dashpot om de dynamische veranderingen in viscositeit en deformatiesnelheden beter te vangen. Een bevriezings-dooi-schadevariabele ($D_n$) werd geïntroduceerd om vooraf bestaande schade te accounten.

Belangrijkste Resultaten

• Degradatie van Mechanische Eigenschappen: Bevriezings-dooi-cycli versnelden de macroscopische schade aanzienlijk. Naarmate het aantal cycli toenam (van 0 naar 20), nam de piekspanning af van 14,62 MPa naar 8,22 MPa, en daalde de elasticiteitsmodulus van 4,39 GPa naar 1,73 GPa. Cohesie en de interne wrijvingshoek vertoonden evene kind een scherpe daling, met name na 20 cycli.
• Evolutie van Karakteristieke Spanningen: De scheurinitiatiesspanning en de dilatantiestress namen systematisch af met meer bevriezings-dooi-cycli. De genormaliseerde spanningsniveaus ($\sigma_{ci}/\sigma_f$ en $\sigma_{cd}/\sigma_f$) daalden ook, wat wijst op een verminderde weerstand tegen scheurinitiatie en volumetrische dilatantie.
• Transitie in Falingsmodus:
  • 0 Cycli: Falen werd gedomineerd door trek-splijting en de coalescentie van vleugel-scheuren (wing cracks).
  • 10-20 Cycli: De falingsmodus transformeerde naar een afschuivingsfalen (shear failure). Secundaire scheuren verschenen frequenter bij de uiteinden van de vooraf bestaande imperfecties, en er ontstonden scheurtypen van het type afschuiving, wat suggereert dat bevriezings-dooi-schade de structurele zwakke vlakken nabij de fissuurpunten verzwakt.
• Vermoeidheidsgedrag: De vermoeidheidslevensduur van de monsters nam drastisch af met de bevriezings-dooi-schade. Monsters met 0 cycli faalden na 837 cycli, terwijl monsters met 20 cycli onder hetzelfde belastingsschema slechts na 35 cycli faalden. De axiale deformatiecurves verschoven van Type B (lineaire accumulatie) naar Type C (snelle breuk) naarmate de bevriezings-dooi-schade toenam.
• Dynamische Elasticiteitsmodulus: De dynamische elasticiteitsmodulus nam over het algemeen af met een toenemend aantal belasting-ontlastingscycli en bevriezings-dooi-cycli, wat de cumulatieve interne schade en poriecompactie weerspiegelt.

Bijdragen van het Constitutief Model
De studie heeft een vermoeidheids-constitutief model vastgesteld dat het volgende integreert:

1. Variabele-orde Fractionele Afgeleide Theorie: Het vervangen van de standaard dashpot stelt het model in staat om flexibel de evolutie van kruipsnelheden en viscoplastic responsen in verschillende stadium van de rek te beschrijven.
2. Bevriezings-dooi-schadevariabele: Het model incorporeert een schadevariabele ($1-D_n$) om de degradatie van mechanische parameters door bevriezings-dooi-cycli te kwantificeren.
3. Ontleding van Belasting: Cyclische belastingen werden ontleed in statische en alternerende componenten om opslag- en verliescomplianties voor de elastische, visco-elastische en viscoplastic stadia af te leiden.

Verificatie en Betekenis
Het voorgestelde model is geverifieerd aan de hand van experimentele gegevens uit stapsgewijze cyclische belastingstests onder drie bevriezings-dooi-condities.

• Nauwkeurigheid: Het model heeft de drie-fasen evolutie van de axiale rek (initiële compactie, constante deformatiesnelheid en versnelde breuk) succesvol gevangen.
• Statistische Fit: De correlatiecoëfficiënten ($R^2$) tussen de modelvoorspellingen en de experimentele resultaten overschreden 0,90 voor alle condities (variërend van 0,971 tot 0,998).
• Betekenis: De auteurs stellen dat dit onderzoek een theoretisch instrument biedt voor het kwantitatief beschrijven van het bevriezings-dooi-schadeproces en de vermoeidheidsdeformatie van gebarsten gesteentemassa's. Het vastgestelde constitutieve model biedt een basis voor het beoordelen van de langetermijnstabiliteit van technische projecten in koude, gebarsten gesteentemilieus. De studie bevestigt dat bevriezings-dooi-schade de vermoeidheidssterkte van gesteentemassa's aanzienlijk vermindert, wat een zorgvuldige overweging vereist bij het ontwerp en de monitoring van infrastructuur in koude regio's.