2024年4月25日发(作者：完颜月灵)
循环荷载作用下花岗岩的变形及其损伤
演化规律研究
摘 要：桥梁，地下铁道车站，水利水电工程的地基和边坡等时常受到人类工程活动或者地震所影响
形成的循环荷载影响。而循环荷载用下，岩石的变形和损伤破坏规律常常与静态受力条件下不同，因此研究
循环荷载作用下岩石的变形和损伤演化规律对岩土体工程施工设计均有重要的实用价值。通过利用花岗岩试
件在RE-8100S岩石万能疲劳试验机上加载，得到其单轴轴向荷载和单轴循环荷载与时间、变形与时间的变
化关系，并将花岗岩循环荷载曲线可以划分为3个阶段:初始循环加卸载阶段、稳定分级循环加卸载阶段和
加速疲劳破坏阶段。而垂直变形是衡量疲劳损伤的关键指标。相比轴向静荷载作用，循环荷载基本上按加载
曲线返回到初始加载点，与此同时还有小部分约20%的弹性变形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载极
限点大于其弹性极限，卸载荷载曲线将会偏离原来的加载曲线，试件发生破坏，且这个过程会随着循环荷载
作用不断的积累。
关键词：循环荷载；花岗岩；变形；损伤；演化规律
中图法分类号 P694 文献标志码 A
1
1前言
材料在低于强度极限的交变应力的反复作用下发生破坏的现象，称为疲劳破
坏。疲劳破坏与其他破坏形式存在着明显的差别，且其受力方式与其他静态荷载
不同，因此探究花岗岩在循环荷载下的力学及损伤性能对岩体工程的长期稳定性
具有十分重要意义
[1-2]
。岩石是一种典型的损伤型缺陷的天然杂质，在实际土木
工程运用实践中，大量不同的岩石材料常常受到循环动荷载的作用，岩石材料在
循环动荷载作用下，力学和变形的能力将有明显不同。在循环荷载作用下岩石不
仅有静载变形，而且还有附加变形，并降低了岩石的强度和工作寿命；另一方面
由于循环荷载的特殊性和复杂性，导致其极限破坏状态与单轴单级静力状态的极
限状态有着很大的区别。因此，将岩石循环动力荷载和力学机制联系起来研究，
对进一步研究演变岩石的材料动力以及力学性质具有重要意义。
肖建清等
[3]
则认为，花岗岩的轴向、横向和体积应变都具有三阶段演化规律
且三阶段的划分基本一致。相比于金属材料和混凝土材料，花岗岩属于岩石，岩
石的应力应变曲线是围压、加载速率等因素的函数，而循环加载一般是荷载控制
的变速率试验过程，即便是不存在岩样个体之间的差异，试验路径也不一定回归
到给定的应力应变曲线。葛修润等
[4]
对循环荷载作用下岩石变形和强度特征进行
过系统的研究，认为岩石在循环荷载作用下的疲劳寿命主要由岩石自身结构、幅
值荷载以及荷载差决定。李树春等
[5]
则以累积塑性应变表达损伤变量，基于连续
介质损伤力学理论，推导出幂函数型低周疲劳损伤演化方程。郭印同等
[6]
研究了
盐岩在单轴循环荷载作用下疲劳强度、变形及损伤特征，确定了盐岩疲劳破坏门
槛值。Liu E. L.等
[7]
讨论了在不同围压作用下循环加载时岩样的动力力学性质，
研究围压对砂岩的动力力学性质的影响。许宏发等
[8]
对岩石的循环疲劳塑性应变
进行了理论研究，建立了高周和低周疲劳循环条件下岩石轴向塑性应变的演化方
程。席道瑛等
[9]
通过分析宏观滞回曲线的面积、体应变随轴向应变的变化，分析
了岩石在循环载荷作用下微观损伤的演化。
2 试验设备及试样制备
2.1 RE-8100S岩石万能疲劳试验机性能简介
RE-8100S岩石万能疲劳试验机是深圳瑞格尔仪器有限公司研发的新一代电液
伺服试验系统，由主机，伺服油源，各类试验夹具及测控系统组成。搭配自主研
发的多功能闭环测控系统和试验测试软件，实现了动、静态加载的高效性和稳定
性，实现了荷载控制和位移控制的平滑无冲击自由切换，实现了试验数据的高速
采集、数字化传输、实时显示和智能调控。本试验机可以用来满足主压力
≤1000kN试验。能对岩石和混凝土试件进行无侧限压缩试验，常规岩石三轴试验，
高低温岩石三轴试验，岩石三轴疲劳试验，岩石抗拉劈裂试验，岩石剪切试验，
岩石抗折弯曲试验，岩石流变试验；配以相应的辅助机具还可以进行岩石渗流等
试验。RE-8100S岩石万能疲劳试验机如图2.1所示。
图2.1 RE-8100S岩石万能疲劳试验机
2.2 主要技术指标
万能疲劳试验机轴向压力及位移：轴压测力范围20～1000kN，分辨率10N，
力加载速率0.01～100kN/s，轴向最大行程H
max
=300mm，位移加载速率0～
100mm/min试件变形测量范围：轴向0～10mm，径向0～5mm。水平剪力及位移：
剪切测力范围10～500KN，分辨率10N，剪切最大行程H
max
=50mm，剪切变形测量
范围0～50mm
4
。环境箱：温度范围 -40
0
C～200
0
C，机器刚度≥6MN/mm，整机重量
12000kg。
2.3 确定试验试件
花岗岩是一种岩浆在地表以下凝却形成的火成岩，主要成分是长石和石英。
由于花岗岩是深成岩，由于其硬度高、耐磨损，质地均匀，坚固性好，饱水度，
空隙度均很小，抗压强度可高达294MPa。花岗岩属浅成中性岩类, 浅灰黑色, 斑
状结构。
试样制备：为了尽量减少不同花岗岩结构面的影响，试样采自同一块比较完
整的花岗岩。使用了ZS-200型岩石取样机加工试样，加工过程中采用较低的速
度，冷却水保证足够的流量，尽量减少加工过程对试样的不利影响。试样按国际
岩石力学协会( ISRM )规定加工成标准试件, 选取同一块花岗岩进行取样，保证
其各项物理力学参数基本一致，并加工成直径50 mm,长度100 mm的标准圆柱体。
试样制备机如图2.2所示。
图2.2 ZS-200型岩石取样机
2.4 花岗岩岩样试件加工
装夹岩块确保其处于紧固状态，随后打开水源，调节适宜的水流大小，然后快速接近岩
块，打开主机并且取样，直至钻取完成，主机停止。装夹岩样确保其处于紧固状态，随后打
开水源，调节至水流最大。按“前进”快速接近岩样，随后按“主机”开始，刀盘转动切割。
切割完成后按“停止主机”，随后卸下岩样。装夹岩样确保其处于紧固状态，确保左右对称。
随后打开电源，磨轮靠近岩样，随后启动磨轮精确靠近岩样并开始打磨。打磨完成后，停止
工作台，再停磨轮，关电源，随后卸下岩样。岩样如图2.3所示。
图2.3花岗岩成品试件
3 试验方案及步骤
3.1 试验方案
在进行单轴循环加载试验前，一般得进行多个试样的单轴压缩试验，取平均
值得到岩石的单轴抗压强度，以此为标准来设置循环加载的荷载极限参数。为了
提高循环加载试验的成功率，试验以位移为控制方式，以0.05mm/s的速度进行2
个试样的单轴压缩试验，得到花岗岩的极限荷载分别为360kN，单轴抗压强度
183MPa。
花岗岩的的循环多级加载分为多个加载步骤，第一步先以位移控制方式，
0.05mm/s的速度从预载加载至第一级的平均荷载，加载至荷载约为143.5kN。第
二步以0.5Hz的正弦波形施加200次周期荷载，其后以同样的波形、频率和幅值，
不同的上、下限荷载施加多级周期荷载，直至试样破坏。
3.2 试验步骤
在设置实验参数阶段，设置运行参数时,不允许静态多级以及动态多级同时
开启。设置静态实验时，运行参数界面的波形选择应该选中静态。设置动态实验
时，运行参数界面的波形选择应该选中正弦波。在油路控制切换阶段，根据实验
需要打开或者关闭动态疲劳。在试验结束时关闭动态疲劳，如果还有较高压力，
可以打开操作盒进行移动，使压力降低。在控制盒操作阶段，在控制盒界面进行
控制，调整试样位置。调整时注意控制方式与参数的设置。受力前需要把载荷值
清零，受力后需要把位移，变形等值清零。最后实验结束，保存数据格式。试验
操作步骤如图3.1所示。
图3.1花岗岩力学试验步骤
4 试验结果分析
4.1 花岗岩的单级单轴压缩试验
当岩石受到外力作用时，其表现出来的性质，我们称之为岩石的力学性质。
通常来说，在外力作用下，岩石首先产生变形，并且变形会随着外力的增大逐渐
超过某一极限值，便产生破坏。针对花岗岩单轴受压试验运行，采用控制位移加
载方式，静态加速度为0.05mm/s，静态加载目标为15mm，围压加速度为
0.1MPa/s，围压力的值为10MPa。
4.1.1 单轴试验的加载方式
单轴试验的加载方式选取位移的加载方式服从一次线性方程，且匀速由0增
大到1.80mm，直到试件破坏。如图4.1所示，在该试验下始终保持试样的位移随
时间是匀速变化的，同时位移变化比较稳定，试验具有可操作性，但因此会造成
过程中不同时间试件产生相同位移所需施加荷载是不一样。轴向位移-时间的变
化服从近似一次函数方程：
（1）
其中
y
1
为轴向位移，单位mm;
为荷载加载的时间，单位s
图4.1 轴向位移-时间的变化关系
轴向荷载-时间的变化关系如图4.2所示，在选取位移控制的加载方式下，
轴向荷载由0逐渐增大到360kN，随着加载时间的变长，轴向荷载力增长的速度
将越来越快，直至试样在36s末发生破坏，加载试验停止。在满足静态位移加载
条件15mm，位移加载速度0.05mm/s的情况下，其轴向荷载-时间关系服从一定的
近似曲线方程：
（2）
其中
y
2
为轴向荷载受力，单位kN;
由于试验过程中荷载加载的基本方式是由位移随时间近似满足一次函数匀速
变化决定的。造成轴向荷载-时间的变化关系的主要原因是由于花岗岩中存在裂
纹，刚施加荷载时，裂纹受力闭合，因此产生相同变形需要施加的力较小，随着
裂纹的闭合，花岗岩产生相同的位移需要使岩体产生弹性变形，因此需要施加较
大的荷载。故试件轴向荷载-时间图程曲线关系，且斜率从开始不断增大，最终
趋于稳定，直至破坏。这也说明，花岗岩在弹性受力阶段的变形损失比较稳定，
当达到弹性破坏极限值后才直接发生破坏。
图4.2 轴向荷载-时间的变化关系
4.1.2 花岗岩轴向荷载-变形的变化关系
如图4.3所示，随着水平变形的增大，荷载总体上也是不断增大的，直到水
平变形的极限0.5mm，荷载力为330kN。在试验过程中，加载初期，水平变形较
为缓慢，荷载力到达138kN时水平变形为0.07mm，这是由于试件具有一定的抵抗
变形的能力，这也是花岗岩受力水平变形的第一阶段。在此之后的第二阶段，会
有一段荷载将保持不变，而水平变形快速增大的平缓屈服阶段，水平变形增加
0.19mm，这与花岗岩内部结构有关，主要是水平方向岩体的试块脱落造成。而在
花岗岩水平方向变形的第三个阶段，水平变形的产生整体较为均匀，荷载增大，
变形产生加快，且随着时间积累的更多，更多表现出来的是斜率增大且较为均匀。
图4.3 轴向荷载-水平变形的变化关系
如图4.4所示，第一阶段是荷载施加中轴向压力处于0-82kN的这一过程，
花岗岩产生垂直变形较为困难，这是由于花岗岩在受到压缩荷载的初期会在垂直
方向一定的弹性抵触抑制垂直变形的产生。随后的第二阶段，垂直变形的增加逐
渐加快，并在轴向压力达到132kN时，垂直方向变形突变增加0.04mm，这由于随
着荷载的增大，轴向荷载与垂直变形的关系慢慢趋于稳定，花岗岩表现出一定程
度的屈服。第三阶段是垂直位移超过0.15mm后，荷载是随垂直变形不断增大的，
直至在轴向压力358kN,水平位移0.46mm，试样破坏。
图4.4 轴向荷载-垂直变形的变化关系
4.1.3 花岗岩轴向荷载变形-时间的变化关系
对于花岗岩的水平变形，随着时间的持续，水平变形总体是不断增大的趋势，
如图4.5所示。但在22s末，会在花岗岩的水平变形出现一个0.19mm突变，这
是由于试验过程中花岗岩水平方向脆性不稳定而导致岩体侧向受力脱落造成的，
这也说明在该时刻花岗岩已经产生了一定的水平变形破坏，且花岗岩的水平变形
破坏不是瞬间产生的，而是具有一定延性的。随后水平变形增长速率增大，其水
平变形产生会随着时间而积累的越来越快，极限水平变形为0.48mm。
图4.5 水平变形-时间的变化关系
对于垂直变形，在该试验下随着时间的推移而增大，其变形的产生会随
着时间和积累的更快，如图4.6所示。在17s后增大的速度明显加快，这说明此
时刻花岗岩的垂直方向开始产生一定的损失破坏。随着时间的推移，垂直变形的
积累会加快。在36s时花岗岩试样发生破坏，单轴静态压缩花岗岩的极限垂直变
形为0.478mm。
图4.6 垂直变形-时间的变化关系
综上所述：
（1）花岗岩的内部存在一定的结构面，在满足位移变化时，前期需要的轴
向力较小，随着结构面受力而缓慢闭合，花岗岩产生位移所需要的轴向力趋于稳
定，直至破坏。
（2）就轴向荷载-变形的变化关系而言，都变形出了较为典型的三个阶段。
第一阶段的弹性变形，这是由于花岗岩的弹性而产生变形相对较为困难。第二阶
段的变形突变，这是由于花岗岩已经开始在内部产生一定的损伤，并且积累的过
程。第三阶段的平稳破坏，由于花岗岩已经开始产生损伤，随着轴向力的增大，
这个损伤在不断的积累加剧，但这个过程相对较为平稳。可以总结为花岗岩单轴
静态压缩试验的破坏有一个抵抗变形到开始损伤破坏，并平稳积累至完全破坏的
过程。
4.2 花岗岩的多级动态循环单轴压缩试验
4.2.1 多级动态循环试验的加载方式
首先试样参数和按预先设计标准实施（允许尺寸上存在误差），并对第一步
实施静态单轴压缩提升荷载至143.5kN。围压加速度0.1MPa/s，围压保载力值
10MPa，其他基本数据如图4.7所示。
图4.7 运行基本参数
如图4.8所示，首先在试验开始时，缓慢施加增长的荷载，时期到达约
143.5kN，共计1300s。这是为了避免开始施加循环荷载时，试件突然受力导致试
验不准确以，并有助于循环荷载的施加。接下来施加第一个400s的循环荷载。
上限荷载为245kN，共计200个循环。第二个400s循环荷载其他不变，上限荷载
提高到287kN。第三个循环的上限荷载为308kN。当试验进行到第四个循环时，
上限荷载为328kN，时间1370s末时，试件破坏。发生破坏后，试件的施加荷载
急速降低到0。
图4.8 轴向循环荷载-时间的变化关系
如图4.9所示，轴向位移在随时间变化的循环荷载作用下，其轴向位移表现
出循环特性，即第一个循环，轴向位移0.39-0.99mm之间不断的循环。当循环上
限荷载值增大时，其循环轴向位移也明显发生变化，且随后阶段稳定后亦表现出
循环特性，由此可以得出结论轴向荷载是影响轴向位移最为直接的因素。但在该
类循环荷载作用下其极限轴向位移仅仅表现为1.23mm，相比单轴静态压缩试验极
限1.80mm要降低很多。导致该因素的原因是由于循环荷载作用，导致试件花岗
岩长期处于不断变形的状态，产生疲劳损伤并破坏。
图4.9 轴向位移-时间的变化关系
4.2.2 花岗岩轴向循环荷载-变形的变化关系
如图4.10所示，在开始循环荷载后，荷载-水平变形图曲线段的水平变形变
化在初次循环期间变化相对较大, 但从其后部分循环开始，其水平变形的变化并
不明显，随着循环试验的进行，而后形成一个个闭合的塑性滞环，并且满足从密
集到疏松的过程，尤其是在临界破坏时，塑性滞环变得非常疏松。由此可见，在
循环开始阶段，水平变形在循环荷载的作用下，变形的积累并不明显，但仍然满
足基本的变形随力大小改变而变化的条件。由此我们可以得出结论，循环荷载的
上界幅值越接近花岗岩的临界破坏值，其水平荷载积累变形的就更加明显。
图4.10 轴向循环荷载-水平变形
如图4.11所示，荷载-垂直变形变化关系在宏观图形上是一个不可逆变形并
且逐渐发展积累并逐渐失稳破坏的过程。不可逆变形和损伤是疲劳破坏过程中密
切联系的两个指标。在试验中，不可逆变形可以通过循环荷载作用下的垂直变形
来体现。根据其轴向荷载和垂直变形的变化图示，垂直变形依然受到轴向荷载的
影响且表现出“循环特性”即荷载越大，变形越大，荷载越小，变形越小，而且
近似程线性关系。最为关键的是垂直变形还会存在一个随着循环次数而缓慢积累
的过程，这个垂直变形的积累会越来越大最终达到极限状态，花岗岩试件发生损
坏。
在循环载荷作用下，曲线段的垂直变形变化在初次循环期间变化相对较
大, 但从其后部分循环开始，其垂直变形的变化并不明显，与其同时卸载曲线段
的垂直变形变化量在整个循环过程中的变化亦都不明显。通常情况下，试件变形
速率越大，载荷垂直变形曲线的斜率也越大；载荷水平越高，初次循环中载荷卸
载至0时所剩余残余的垂直变形量越大。花岗岩在循环荷载作用条件下的加载曲
线与卸载曲线不相重合, 将会形成一个封闭的塑性滞环。水平变形可以具体分为
两个阶段:（稳定变形阶段和加速变形阶段）在水平方向变形明显加大时，且荷
载减小而变形恢复很小的时候，预示花岗岩将发生破坏。
图4.11 轴向循环荷载-垂直变形的变化关系
4.2.3 花岗岩循环荷载变形-时间的变化关系
如图4.12所示，水平变形在随时间变化过程中，也表现出循环特性。相比
单轴静力压缩试验下，其水平变形在循环荷载作用下增长很慢。在第二个循环时
间段开始，水平荷载随着循环时间会产生较小的水平变形的不可逆积累，随着循
环作用时间的增长，这个不可逆的损伤积累效果会越发明显。当达到水平变形极
限状态时会有一个较大幅度的循环变形，其效果明显高于之前，其原因是由于花
岗岩在水平变形也存在有一个极限变形，在这个极限的区间内，水平变形会迅速
产生较大的变化，但仍然不会破坏。在随后的一段时间内，随荷载表现出“循环
特性”的效果越来越差，水平变形迅速呈直线增大，试件水平变形发生破坏。即
花岗岩水平变形可以分为具体的三个阶段：初始变形阶段、等速变形阶段、加速
变形阶段。
图4.12 水平变形-时间的变化关系
如图4.13所示，垂直变形在随时间变化过程中，也表现出循环特性。其垂直变
形在循环荷载作用下增长很慢，当垂直变形到达0.47mm时试件花岗岩就发生破坏，相比单
轴静力的极限0.50mm相差并不大。因此我们认为循环荷载作用对花岗岩的垂直变形影响并
不大，垂直变形在随荷载循环变化过程中，也表现出循环特性。每个循环都开始时都有一个
逐渐趋于稳定的状态，且循环过程中有一定的变形积累现象，这种变形积累现象受到荷载越
大，积累越明显。垂直变形可以具体分为两个阶段：稳定变形阶段和加速变形阶段，相比之
下垂直方向的变形随着循环作用增加明显时，预示着花岗岩即将发生垂直方向的破坏。
图4.13 垂直变形-时间的变化关系
综上所述：
（1）花岗岩施加循环荷载时，如果极限荷载强度低于其本身的弹性极限时，
卸除荷载讲基本上按加载曲线返回到初始加载点，但还有小部分约20%的弹性变
形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载极限点大于其弹性极限，卸载荷载曲
线将会偏离原来的加载曲线。不可逆变形的大小、变形增长趋势及总的变形累积
量是岩石疲劳力学性能更本质的反映，与损伤受力过程直接相关，所以从不可逆
变形的方向研究疲劳破坏过程更为科学和准确。
（2）当应力在弹性极限以外的某点进行循环荷载时，将导致变形进一步增
加，直至破坏，这个过程便是损伤积累所产生的破坏。从循环荷载作用下，花岗
岩的循环次数的疲劳破坏过程可以反映出从密集积压，应力应变从硬化到软化的
过程，也反映出来其损伤的演化过程。在应力水平的影响可以明显看出，在应力
低于某一水平时，中间部分将缩短甚至不出现。这是由于应力水平存在一个临界
值。若应力超过此值，试件在循环荷载下将会直接破坏；若小于该值，则变形将
趋于稳定，花岗岩的疲劳临界强度主要受循环上下限荷载力的影响。
5 结论
（1）花岗岩循环荷载曲线可以划分为3个阶段:初始循环加卸载阶段、稳定
分级循环加卸载阶段和加速疲劳破坏阶段，垂直变形是衡量疲劳损伤的关键指标。
（2）花岗岩的损伤破坏完全受到静态全过程曲线的控制,想不轴向不断增大
的荷载，在循环荷载作用下曲线仍会沿着单调加荷曲线上升，说明循环荷载受力
过程并不会改变花岗岩变形的基本特性，其破坏本质仍然是损伤变形破坏。
（3）相比轴向静荷载作用，循环荷载基本上按加载曲线返回到初始加载点，
与此同时还有小部分约20%的弹性变形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载
极限点大于其弹性极限，卸载荷载曲线将会偏离原来的加载曲线，试件发生破坏，
且这个过程会随着循环荷载作用不断的积累。
（4）循环荷载作用下花岗岩的疲劳破坏强度会受到上限荷载的影响。上限
荷载越大，越接近荷载承载极限，试件就越容易发生疲劳破坏。且缓慢增大循环
荷载上限荷载这个过程，有助于缓解试件的变形增长，即试件疲劳破坏强度得到
一定程度提高。
参 考 文 献
[1]钱七虎. 深部地下工程空间开发中的关键科学问题[A]钱七虎院士论文选
[C].北京：科学出版社，2007:594-568．
[2]张运良,马艳晶. 基于两类典型动力人工边界的水电站地下洞室群地震反
应分析[J].水电能源科学,2010.28(3)：70-73,145．
[3]肖建清,丁德馨,徐根等. 常幅循环荷载下岩石的变形特性[J]. 中南大学
学报(自然科学版), 2010
(02):685-691.
[4]葛修润,蒋宇,卢允德等. 周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究[J].
岩石力学与工程学报,2003,22(10):1581-1585.
[5]李树春,许江,陶云奇等. 岩石低周疲劳损伤模型与损伤变量表达方法[J].
岩土力学, 2009(06):1611-1619.
[6]郭印同,赵克烈,孙冠华,杨春和,马洪岭,张桂民.周期荷载下盐岩的疲劳
变形及损伤特性研究[J].岩土力学,2011,32(05):1353-1359.
[7]Liu Enlong, He Siming. Effects of cyclic dynamic loading on
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[8]许宏发,王武,方秦等. 循环荷载下岩石塑性应变演化模型[J].解放军理
工大学学报(自然科学版),2012,13(3):282-286.
[9]席道瑛,刘小燕,张程远. 由宏观滞回曲线分析岩石的微细观损伤[J]. 岩
石力学与工程学报,2003,22(2);182-187.
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2024年4月25日发(作者：完颜月灵)
循环荷载作用下花岗岩的变形及其损伤
演化规律研究
摘 要：桥梁，地下铁道车站，水利水电工程的地基和边坡等时常受到人类工程活动或者地震所影响
形成的循环荷载影响。而循环荷载用下，岩石的变形和损伤破坏规律常常与静态受力条件下不同，因此研究
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化关系，并将花岗岩循环荷载曲线可以划分为3个阶段:初始循环加卸载阶段、稳定分级循环加卸载阶段和
加速疲劳破坏阶段。而垂直变形是衡量疲劳损伤的关键指标。相比轴向静荷载作用，循环荷载基本上按加载
曲线返回到初始加载点，与此同时还有小部分约20%的弹性变形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载极
限点大于其弹性极限，卸载荷载曲线将会偏离原来的加载曲线，试件发生破坏，且这个过程会随着循环荷载
作用不断的积累。
关键词：循环荷载；花岗岩；变形；损伤；演化规律
中图法分类号 P694 文献标志码 A
1
1前言
材料在低于强度极限的交变应力的反复作用下发生破坏的现象，称为疲劳破
坏。疲劳破坏与其他破坏形式存在着明显的差别，且其受力方式与其他静态荷载
不同，因此探究花岗岩在循环荷载下的力学及损伤性能对岩体工程的长期稳定性
具有十分重要意义
[1-2]
。岩石是一种典型的损伤型缺陷的天然杂质，在实际土木
工程运用实践中，大量不同的岩石材料常常受到循环动荷载的作用，岩石材料在
循环动荷载作用下，力学和变形的能力将有明显不同。在循环荷载作用下岩石不
仅有静载变形，而且还有附加变形，并降低了岩石的强度和工作寿命；另一方面
由于循环荷载的特殊性和复杂性，导致其极限破坏状态与单轴单级静力状态的极
限状态有着很大的区别。因此，将岩石循环动力荷载和力学机制联系起来研究，
对进一步研究演变岩石的材料动力以及力学性质具有重要意义。
肖建清等
[3]
则认为，花岗岩的轴向、横向和体积应变都具有三阶段演化规律
且三阶段的划分基本一致。相比于金属材料和混凝土材料，花岗岩属于岩石，岩
石的应力应变曲线是围压、加载速率等因素的函数，而循环加载一般是荷载控制
的变速率试验过程，即便是不存在岩样个体之间的差异，试验路径也不一定回归
到给定的应力应变曲线。葛修润等
[4]
对循环荷载作用下岩石变形和强度特征进行
过系统的研究，认为岩石在循环荷载作用下的疲劳寿命主要由岩石自身结构、幅
值荷载以及荷载差决定。李树春等
[5]
则以累积塑性应变表达损伤变量，基于连续
介质损伤力学理论，推导出幂函数型低周疲劳损伤演化方程。郭印同等
[6]
研究了
盐岩在单轴循环荷载作用下疲劳强度、变形及损伤特征，确定了盐岩疲劳破坏门
槛值。Liu E. L.等
[7]
讨论了在不同围压作用下循环加载时岩样的动力力学性质，
研究围压对砂岩的动力力学性质的影响。许宏发等
[8]
对岩石的循环疲劳塑性应变
进行了理论研究，建立了高周和低周疲劳循环条件下岩石轴向塑性应变的演化方
程。席道瑛等
[9]
通过分析宏观滞回曲线的面积、体应变随轴向应变的变化，分析
了岩石在循环载荷作用下微观损伤的演化。
2 试验设备及试样制备
2.1 RE-8100S岩石万能疲劳试验机性能简介
RE-8100S岩石万能疲劳试验机是深圳瑞格尔仪器有限公司研发的新一代电液
伺服试验系统，由主机，伺服油源，各类试验夹具及测控系统组成。搭配自主研
发的多功能闭环测控系统和试验测试软件，实现了动、静态加载的高效性和稳定
性，实现了荷载控制和位移控制的平滑无冲击自由切换，实现了试验数据的高速
采集、数字化传输、实时显示和智能调控。本试验机可以用来满足主压力
≤1000kN试验。能对岩石和混凝土试件进行无侧限压缩试验，常规岩石三轴试验，
高低温岩石三轴试验，岩石三轴疲劳试验，岩石抗拉劈裂试验，岩石剪切试验，
岩石抗折弯曲试验，岩石流变试验；配以相应的辅助机具还可以进行岩石渗流等
试验。RE-8100S岩石万能疲劳试验机如图2.1所示。
图2.1 RE-8100S岩石万能疲劳试验机
2.2 主要技术指标
万能疲劳试验机轴向压力及位移：轴压测力范围20～1000kN，分辨率10N，
力加载速率0.01～100kN/s，轴向最大行程H
max
=300mm，位移加载速率0～
100mm/min试件变形测量范围：轴向0～10mm，径向0～5mm。水平剪力及位移：
剪切测力范围10～500KN，分辨率10N，剪切最大行程H
max
=50mm，剪切变形测量
范围0～50mm
4
。环境箱：温度范围 -40
0
C～200
0
C，机器刚度≥6MN/mm，整机重量
12000kg。
2.3 确定试验试件
花岗岩是一种岩浆在地表以下凝却形成的火成岩，主要成分是长石和石英。
由于花岗岩是深成岩，由于其硬度高、耐磨损，质地均匀，坚固性好，饱水度，
空隙度均很小，抗压强度可高达294MPa。花岗岩属浅成中性岩类, 浅灰黑色, 斑
状结构。
试样制备：为了尽量减少不同花岗岩结构面的影响，试样采自同一块比较完
整的花岗岩。使用了ZS-200型岩石取样机加工试样，加工过程中采用较低的速
度，冷却水保证足够的流量，尽量减少加工过程对试样的不利影响。试样按国际
岩石力学协会( ISRM )规定加工成标准试件, 选取同一块花岗岩进行取样，保证
其各项物理力学参数基本一致，并加工成直径50 mm,长度100 mm的标准圆柱体。
试样制备机如图2.2所示。
图2.2 ZS-200型岩石取样机
2.4 花岗岩岩样试件加工
装夹岩块确保其处于紧固状态，随后打开水源，调节适宜的水流大小，然后快速接近岩
块，打开主机并且取样，直至钻取完成，主机停止。装夹岩样确保其处于紧固状态，随后打
开水源，调节至水流最大。按“前进”快速接近岩样，随后按“主机”开始，刀盘转动切割。
切割完成后按“停止主机”，随后卸下岩样。装夹岩样确保其处于紧固状态，确保左右对称。
随后打开电源，磨轮靠近岩样，随后启动磨轮精确靠近岩样并开始打磨。打磨完成后，停止
工作台，再停磨轮，关电源，随后卸下岩样。岩样如图2.3所示。
图2.3花岗岩成品试件
3 试验方案及步骤
3.1 试验方案
在进行单轴循环加载试验前，一般得进行多个试样的单轴压缩试验，取平均
值得到岩石的单轴抗压强度，以此为标准来设置循环加载的荷载极限参数。为了
提高循环加载试验的成功率，试验以位移为控制方式，以0.05mm/s的速度进行2
个试样的单轴压缩试验，得到花岗岩的极限荷载分别为360kN，单轴抗压强度
183MPa。
花岗岩的的循环多级加载分为多个加载步骤，第一步先以位移控制方式，
0.05mm/s的速度从预载加载至第一级的平均荷载，加载至荷载约为143.5kN。第
二步以0.5Hz的正弦波形施加200次周期荷载，其后以同样的波形、频率和幅值，
不同的上、下限荷载施加多级周期荷载，直至试样破坏。
3.2 试验步骤
在设置实验参数阶段，设置运行参数时,不允许静态多级以及动态多级同时
开启。设置静态实验时，运行参数界面的波形选择应该选中静态。设置动态实验
时，运行参数界面的波形选择应该选中正弦波。在油路控制切换阶段，根据实验
需要打开或者关闭动态疲劳。在试验结束时关闭动态疲劳，如果还有较高压力，
可以打开操作盒进行移动，使压力降低。在控制盒操作阶段，在控制盒界面进行
控制，调整试样位置。调整时注意控制方式与参数的设置。受力前需要把载荷值
清零，受力后需要把位移，变形等值清零。最后实验结束，保存数据格式。试验
操作步骤如图3.1所示。
图3.1花岗岩力学试验步骤
4 试验结果分析
4.1 花岗岩的单级单轴压缩试验
当岩石受到外力作用时，其表现出来的性质，我们称之为岩石的力学性质。
通常来说，在外力作用下，岩石首先产生变形，并且变形会随着外力的增大逐渐
超过某一极限值，便产生破坏。针对花岗岩单轴受压试验运行，采用控制位移加
载方式，静态加速度为0.05mm/s，静态加载目标为15mm，围压加速度为
0.1MPa/s，围压力的值为10MPa。
4.1.1 单轴试验的加载方式
单轴试验的加载方式选取位移的加载方式服从一次线性方程，且匀速由0增
大到1.80mm，直到试件破坏。如图4.1所示，在该试验下始终保持试样的位移随
时间是匀速变化的，同时位移变化比较稳定，试验具有可操作性，但因此会造成
过程中不同时间试件产生相同位移所需施加荷载是不一样。轴向位移-时间的变
化服从近似一次函数方程：
（1）
其中
y
1
为轴向位移，单位mm;
为荷载加载的时间，单位s
图4.1 轴向位移-时间的变化关系
轴向荷载-时间的变化关系如图4.2所示，在选取位移控制的加载方式下，
轴向荷载由0逐渐增大到360kN，随着加载时间的变长，轴向荷载力增长的速度
将越来越快，直至试样在36s末发生破坏，加载试验停止。在满足静态位移加载
条件15mm，位移加载速度0.05mm/s的情况下，其轴向荷载-时间关系服从一定的
近似曲线方程：
（2）
其中
y
2
为轴向荷载受力，单位kN;
由于试验过程中荷载加载的基本方式是由位移随时间近似满足一次函数匀速
变化决定的。造成轴向荷载-时间的变化关系的主要原因是由于花岗岩中存在裂
纹，刚施加荷载时，裂纹受力闭合，因此产生相同变形需要施加的力较小，随着
裂纹的闭合，花岗岩产生相同的位移需要使岩体产生弹性变形，因此需要施加较
大的荷载。故试件轴向荷载-时间图程曲线关系，且斜率从开始不断增大，最终
趋于稳定，直至破坏。这也说明，花岗岩在弹性受力阶段的变形损失比较稳定，
当达到弹性破坏极限值后才直接发生破坏。
图4.2 轴向荷载-时间的变化关系
4.1.2 花岗岩轴向荷载-变形的变化关系
如图4.3所示，随着水平变形的增大，荷载总体上也是不断增大的，直到水
平变形的极限0.5mm，荷载力为330kN。在试验过程中，加载初期，水平变形较
为缓慢，荷载力到达138kN时水平变形为0.07mm，这是由于试件具有一定的抵抗
变形的能力，这也是花岗岩受力水平变形的第一阶段。在此之后的第二阶段，会
有一段荷载将保持不变，而水平变形快速增大的平缓屈服阶段，水平变形增加
0.19mm，这与花岗岩内部结构有关，主要是水平方向岩体的试块脱落造成。而在
花岗岩水平方向变形的第三个阶段，水平变形的产生整体较为均匀，荷载增大，
变形产生加快，且随着时间积累的更多，更多表现出来的是斜率增大且较为均匀。
图4.3 轴向荷载-水平变形的变化关系
如图4.4所示，第一阶段是荷载施加中轴向压力处于0-82kN的这一过程，
花岗岩产生垂直变形较为困难，这是由于花岗岩在受到压缩荷载的初期会在垂直
方向一定的弹性抵触抑制垂直变形的产生。随后的第二阶段，垂直变形的增加逐
渐加快，并在轴向压力达到132kN时，垂直方向变形突变增加0.04mm，这由于随
着荷载的增大，轴向荷载与垂直变形的关系慢慢趋于稳定，花岗岩表现出一定程
度的屈服。第三阶段是垂直位移超过0.15mm后，荷载是随垂直变形不断增大的，
直至在轴向压力358kN,水平位移0.46mm，试样破坏。
图4.4 轴向荷载-垂直变形的变化关系
4.1.3 花岗岩轴向荷载变形-时间的变化关系
对于花岗岩的水平变形，随着时间的持续，水平变形总体是不断增大的趋势，
如图4.5所示。但在22s末，会在花岗岩的水平变形出现一个0.19mm突变，这
是由于试验过程中花岗岩水平方向脆性不稳定而导致岩体侧向受力脱落造成的，
这也说明在该时刻花岗岩已经产生了一定的水平变形破坏，且花岗岩的水平变形
破坏不是瞬间产生的，而是具有一定延性的。随后水平变形增长速率增大，其水
平变形产生会随着时间而积累的越来越快，极限水平变形为0.48mm。
图4.5 水平变形-时间的变化关系
对于垂直变形，在该试验下随着时间的推移而增大，其变形的产生会随
着时间和积累的更快，如图4.6所示。在17s后增大的速度明显加快，这说明此
时刻花岗岩的垂直方向开始产生一定的损失破坏。随着时间的推移，垂直变形的
积累会加快。在36s时花岗岩试样发生破坏，单轴静态压缩花岗岩的极限垂直变
形为0.478mm。
图4.6 垂直变形-时间的变化关系
综上所述：
（1）花岗岩的内部存在一定的结构面，在满足位移变化时，前期需要的轴
向力较小，随着结构面受力而缓慢闭合，花岗岩产生位移所需要的轴向力趋于稳
定，直至破坏。
（2）就轴向荷载-变形的变化关系而言，都变形出了较为典型的三个阶段。
第一阶段的弹性变形，这是由于花岗岩的弹性而产生变形相对较为困难。第二阶
段的变形突变，这是由于花岗岩已经开始在内部产生一定的损伤，并且积累的过
程。第三阶段的平稳破坏，由于花岗岩已经开始产生损伤，随着轴向力的增大，
这个损伤在不断的积累加剧，但这个过程相对较为平稳。可以总结为花岗岩单轴
静态压缩试验的破坏有一个抵抗变形到开始损伤破坏，并平稳积累至完全破坏的
过程。
4.2 花岗岩的多级动态循环单轴压缩试验
4.2.1 多级动态循环试验的加载方式
首先试样参数和按预先设计标准实施（允许尺寸上存在误差），并对第一步
实施静态单轴压缩提升荷载至143.5kN。围压加速度0.1MPa/s，围压保载力值
10MPa，其他基本数据如图4.7所示。
图4.7 运行基本参数
如图4.8所示，首先在试验开始时，缓慢施加增长的荷载，时期到达约
143.5kN，共计1300s。这是为了避免开始施加循环荷载时，试件突然受力导致试
验不准确以，并有助于循环荷载的施加。接下来施加第一个400s的循环荷载。
上限荷载为245kN，共计200个循环。第二个400s循环荷载其他不变，上限荷载
提高到287kN。第三个循环的上限荷载为308kN。当试验进行到第四个循环时，
上限荷载为328kN，时间1370s末时，试件破坏。发生破坏后，试件的施加荷载
急速降低到0。
图4.8 轴向循环荷载-时间的变化关系
如图4.9所示，轴向位移在随时间变化的循环荷载作用下，其轴向位移表现
出循环特性，即第一个循环，轴向位移0.39-0.99mm之间不断的循环。当循环上
限荷载值增大时，其循环轴向位移也明显发生变化，且随后阶段稳定后亦表现出
循环特性，由此可以得出结论轴向荷载是影响轴向位移最为直接的因素。但在该
类循环荷载作用下其极限轴向位移仅仅表现为1.23mm，相比单轴静态压缩试验极
限1.80mm要降低很多。导致该因素的原因是由于循环荷载作用，导致试件花岗
岩长期处于不断变形的状态，产生疲劳损伤并破坏。
图4.9 轴向位移-时间的变化关系
4.2.2 花岗岩轴向循环荷载-变形的变化关系
如图4.10所示，在开始循环荷载后，荷载-水平变形图曲线段的水平变形变
化在初次循环期间变化相对较大, 但从其后部分循环开始，其水平变形的变化并
不明显，随着循环试验的进行，而后形成一个个闭合的塑性滞环，并且满足从密
集到疏松的过程，尤其是在临界破坏时，塑性滞环变得非常疏松。由此可见，在
循环开始阶段，水平变形在循环荷载的作用下，变形的积累并不明显，但仍然满
足基本的变形随力大小改变而变化的条件。由此我们可以得出结论，循环荷载的
上界幅值越接近花岗岩的临界破坏值，其水平荷载积累变形的就更加明显。
图4.10 轴向循环荷载-水平变形
如图4.11所示，荷载-垂直变形变化关系在宏观图形上是一个不可逆变形并
且逐渐发展积累并逐渐失稳破坏的过程。不可逆变形和损伤是疲劳破坏过程中密
切联系的两个指标。在试验中，不可逆变形可以通过循环荷载作用下的垂直变形
来体现。根据其轴向荷载和垂直变形的变化图示，垂直变形依然受到轴向荷载的
影响且表现出“循环特性”即荷载越大，变形越大，荷载越小，变形越小，而且
近似程线性关系。最为关键的是垂直变形还会存在一个随着循环次数而缓慢积累
的过程，这个垂直变形的积累会越来越大最终达到极限状态，花岗岩试件发生损
坏。
在循环载荷作用下，曲线段的垂直变形变化在初次循环期间变化相对较
大, 但从其后部分循环开始，其垂直变形的变化并不明显，与其同时卸载曲线段
的垂直变形变化量在整个循环过程中的变化亦都不明显。通常情况下，试件变形
速率越大，载荷垂直变形曲线的斜率也越大；载荷水平越高，初次循环中载荷卸
载至0时所剩余残余的垂直变形量越大。花岗岩在循环荷载作用条件下的加载曲
线与卸载曲线不相重合, 将会形成一个封闭的塑性滞环。水平变形可以具体分为
两个阶段:（稳定变形阶段和加速变形阶段）在水平方向变形明显加大时，且荷
载减小而变形恢复很小的时候，预示花岗岩将发生破坏。
图4.11 轴向循环荷载-垂直变形的变化关系
4.2.3 花岗岩循环荷载变形-时间的变化关系
如图4.12所示，水平变形在随时间变化过程中，也表现出循环特性。相比
单轴静力压缩试验下，其水平变形在循环荷载作用下增长很慢。在第二个循环时
间段开始，水平荷载随着循环时间会产生较小的水平变形的不可逆积累，随着循
环作用时间的增长，这个不可逆的损伤积累效果会越发明显。当达到水平变形极
限状态时会有一个较大幅度的循环变形，其效果明显高于之前，其原因是由于花
岗岩在水平变形也存在有一个极限变形，在这个极限的区间内，水平变形会迅速
产生较大的变化，但仍然不会破坏。在随后的一段时间内，随荷载表现出“循环
特性”的效果越来越差，水平变形迅速呈直线增大，试件水平变形发生破坏。即
花岗岩水平变形可以分为具体的三个阶段：初始变形阶段、等速变形阶段、加速
变形阶段。
图4.12 水平变形-时间的变化关系
如图4.13所示，垂直变形在随时间变化过程中，也表现出循环特性。其垂直变
形在循环荷载作用下增长很慢，当垂直变形到达0.47mm时试件花岗岩就发生破坏，相比单
轴静力的极限0.50mm相差并不大。因此我们认为循环荷载作用对花岗岩的垂直变形影响并
不大，垂直变形在随荷载循环变化过程中，也表现出循环特性。每个循环都开始时都有一个
逐渐趋于稳定的状态，且循环过程中有一定的变形积累现象，这种变形积累现象受到荷载越
大，积累越明显。垂直变形可以具体分为两个阶段：稳定变形阶段和加速变形阶段，相比之
下垂直方向的变形随着循环作用增加明显时，预示着花岗岩即将发生垂直方向的破坏。
图4.13 垂直变形-时间的变化关系
综上所述：
（1）花岗岩施加循环荷载时，如果极限荷载强度低于其本身的弹性极限时，
卸除荷载讲基本上按加载曲线返回到初始加载点，但还有小部分约20%的弹性变
形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载极限点大于其弹性极限，卸载荷载曲
线将会偏离原来的加载曲线。不可逆变形的大小、变形增长趋势及总的变形累积
量是岩石疲劳力学性能更本质的反映，与损伤受力过程直接相关，所以从不可逆
变形的方向研究疲劳破坏过程更为科学和准确。
（2）当应力在弹性极限以外的某点进行循环荷载时，将导致变形进一步增
加，直至破坏，这个过程便是损伤积累所产生的破坏。从循环荷载作用下，花岗
岩的循环次数的疲劳破坏过程可以反映出从密集积压，应力应变从硬化到软化的
过程，也反映出来其损伤的演化过程。在应力水平的影响可以明显看出，在应力
低于某一水平时，中间部分将缩短甚至不出现。这是由于应力水平存在一个临界
值。若应力超过此值，试件在循环荷载下将会直接破坏；若小于该值，则变形将
趋于稳定，花岗岩的疲劳临界强度主要受循环上下限荷载力的影响。
5 结论
（1）花岗岩循环荷载曲线可以划分为3个阶段:初始循环加卸载阶段、稳定
分级循环加卸载阶段和加速疲劳破坏阶段，垂直变形是衡量疲劳损伤的关键指标。
（2）花岗岩的损伤破坏完全受到静态全过程曲线的控制,想不轴向不断增大
的荷载，在循环荷载作用下曲线仍会沿着单调加荷曲线上升，说明循环荷载受力
过程并不会改变花岗岩变形的基本特性，其破坏本质仍然是损伤变形破坏。
（3）相比轴向静荷载作用，循环荷载基本上按加载曲线返回到初始加载点，
与此同时还有小部分约20%的弹性变形需要经过一段时间后才能恢复。如果荷载
极限点大于其弹性极限，卸载荷载曲线将会偏离原来的加载曲线，试件发生破坏，
且这个过程会随着循环荷载作用不断的积累。
（4）循环荷载作用下花岗岩的疲劳破坏强度会受到上限荷载的影响。上限
荷载越大，越接近荷载承载极限，试件就越容易发生疲劳破坏。且缓慢增大循环
荷载上限荷载这个过程，有助于缓解试件的变形增长，即试件疲劳破坏强度得到
一定程度提高。
参 考 文 献
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