Study on Fatigue Failure Mechanisms and Constitutive Model of Freeze‑thaw Fractured Sandstone under Triaxial Compression

REN Jianxi; LIU Zheng; GU Yu; ZHANG Fan; XIE Yi; ZHANG Lu

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20220927001

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Study on Fatigue Failure Mechanisms and Constitutive Model of Freeze‑thaw Fractured Sandstone under Triaxial Compression

更新时间：2025-07-07

- Study on Fatigue Failure Mechanisms and Constitutive Model of Freeze‑thaw Fractured Sandstone under Triaxial Compression
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 3, Pages: 680-687(2025)
- 作者机构：
  
  西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20220927001
  CLC： TU452
- Received：27 September 2022，
  
  Revised：2022-11-21，
  
  Published：28 June 2025
- 稿件说明：
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任建喜,刘政,谷禹等.三轴压缩冻融裂隙砂岩疲劳破坏机理与本构模型研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):680-687.

REN Jianxi,LIU Zheng,GU Yu,et al.Study on Fatigue Failure Mechanisms and Constitutive Model of Freeze‑thaw Fractured Sandstone under Triaxial Compression[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):680-687.
任建喜,刘政,谷禹等.三轴压缩冻融裂隙砂岩疲劳破坏机理与本构模型研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):680-687. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220927001.

REN Jianxi,LIU Zheng,GU Yu,et al.Study on Fatigue Failure Mechanisms and Constitutive Model of Freeze‑thaw Fractured Sandstone under Triaxial Compression[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):680-687. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220927001.

摘要

西部铁路、公路沿线的高陡裂隙岩体边坡在冻融循环与疲劳荷载的共同作用下容易诱发边坡失稳等灾害，亟需研究三轴疲劳压缩作用下冻融裂隙砂岩的破坏机理。为研究冻融裂隙砂岩宏细观疲劳破坏规律，完成了三轴疲劳压缩作用下冻融裂隙砂岩宏观力学试验，同时进行声发射监测分析，并采用核磁共振试验分析其细观破坏规律，建立内变量疲劳本构模型。结果表明：剪切破坏角度与裂隙倾角呈正相关，峰值强度、应变与裂隙倾角呈负相关；砂岩主裂隙衍生支裂隙，随裂隙角度的增大，破坏程度加剧，破坏形态趋于复杂化；声发射振铃数随裂隙倾角的增大而增加，且破坏阶段累计振铃数远大于疲劳阶段累计振铃数；砂岩在20次冻融循环后，T

图谱出现较小的左移现象，疲劳加载试验后，各峰值信号增幅明显，甚至出现新的第四峰；基于岩石内变量理论，建立以轴向残余应变为内变量的疲劳本构模型，理论拟合曲线与试验曲线基本吻合。

Abstract

The high and steep fractured rock slopes along railways and highways in wes

tern regions are prone to disasters such as slope instability under the combined effects of freeze-thaw cycles and fatigue loading

which necessitates in-depth research on the failure mechanisms of freeze-thaw fractured sandstone under triaxial fatigue compression. To investigate the macro-micro fatigue failure patterns of freeze-thaw fractured sandstone

macroscopic mechanical tests were conducted on fractured sandstone specimens under triaxial fatigue compression

accompanied by simultaneous acoustic emission monitoring. Additionally

nuclear magnetic resonance (NMR) tests were performed to analyze the microscopic failure characteristics

and an internal variable-based fatigue constitutive model was established. The results showed that the shear failure angle was positively correlated with the fracture dip angle

while the peak strength and strain were negatively correlated with fracture dip angle. The primary fractures in sandstone generated secondary fractures. With increasing fracture dip angle

the failure severity intensified

and failure modes became more complex. The acoustic emission ringing count increased with increasing fracture dip angle

and the cumulative ringing count during the failure stage far exceeded that during the fatigue loading stage. After 20 freeze-thaw cycles

the T

spectrum exhibited a small left shift

and after fatigue loading tests

all peak signals increased significantly

even showing a new fourth peak. Based on rock internal variable theory

a fatigue constitutive model using axial residual strain as the internal variable was established

and the theoretical results were in good agreement with the experimental curves.

关键词

Keywords

references

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