超声滚压EA4T车轴钢疲劳性能及寿命预测

张继旺; 张浩楠; 杨冰; 苏凯新; 李行

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220257

超声滚压EA4T车轴钢疲劳性能及寿命预测

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220257

1.
西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610036
2.
航天科工惯性技术有限公司，北京 100070

基金项目: 国家自然科学基金项目（51675445）

详细信息

作者简介:
张继旺（1983—），男，研究员，博士，研究方向为材料和结构的疲劳与断裂，E-mail：zhangjiwang@swjtu.edu.cn

中图分类号: U270.33
计量
- 文章访问数: 370
- HTML全文浏览量: 118
- PDF下载量: 63
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2022-04-10
- 修回日期: 2022-05-18
- 网络出版日期: 2023-11-09
- 刊出日期: 2022-05-25

Fatigue Properties and Life Prediction of Ultrasonic Rolling EA4T Axle Steel

1.
State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China
2.
Aerospace Science and Industry Inertial Technology, Beijing 100070, China

摘要

摘要:
为研究表面超声滚压（SURP）处理对EA4T车轴钢疲劳性能的影响，首先，采用SURP技术对EA4T车轴钢试样进行表面处理，并对处理后的试样进行表面性能测试，分析表面三维形貌、粗糙度、硬度、残余应力、半高宽（FWHM）和晶粒尺寸的变化；然后，采用旋转弯曲疲劳试验机对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验，获得应力-疲劳寿命（S-N）曲线，并分析裂纹扩展规律，研究SURP处理对EA4T车轴钢疲劳性能和裂纹扩展行为的影响；最后，采用BP（back propagation）神经网络建立了以加载应力幅值、表面粗糙度、表面半高宽、表面硬度、硬化层深度、表面残余应力和残余应力层深度为输入的超声滚压EA4T车轴钢疲劳寿命预测模型，并对超声滚压EA4T车轴钢试样进行寿命预测. 研究结果表明：SURP处理可以使试样表面粗糙度降低为0.17 μm，并去除表面梨沟形貌；试样表面硬度提升至420 HV，试样表面引入约 −500 MPa的残余应力以及约550 μm深的残余应力层；研磨试样和研磨抛光试样以及SURP处理试样均具有传统疲劳极限，研磨试样和研磨抛光试样的疲劳性能基本一致，且疲劳极限均为355 MPa，SURP处理试样疲劳性能显著提升，其疲劳极限为455 MPa，相比研磨试样提升了28%；疲劳断口观察表明，所有试样的疲劳裂纹均萌生自表面，SURP处理没有改变试样的疲劳破坏机制；SURP处理使试样的裂纹扩展门槛值从6.29 MPa·m^1/2增加到11.21 MPa·m^1/2，同时减缓了裂纹萌生以及短裂纹扩展，从而显著提高了EA4T车轴钢疲劳性能；超声滚压EA4T车轴钢疲劳寿命预测模型预测精度为88.5%.
- EA4T车轴钢 /
- 超声滚压 /
- 疲劳性能 /
- 裂纹扩展门槛值 /
- BP神经网络
Abstract:
In order to study the influence of surface ultrasonic rolling processing (SURP) on the fatigue properties of EA4T axle steel, the EA4T axle steel specimens were firstly treated by SURP technology, and the surface properties of the treated specimens were analyzed. The 3D surface morphologies, roughness, hardness, residual stress, full width at half maximum (FWHM), and crystal size were investigated. Then, the fatigue tests were carried out on the EA4T axle steel specimens using a rotary bending fatigue testing machine. The stress–fatigue life (S-N) curves and crack propagation behaviors were obtained, and the effect of SURP on fatigue properties and crack propagation behaviors of EA4T axle steels was analyzed. Finally, a back propagation (BP) neural network was used to establish the fatigue life prediction model of SURP EA4T axle steel, which took load stress amplitude, surface roughness, surface FWHM, surface hardness, hardened layer depth, surface residual stress, and depth of residual stress layer as input. In addition, the life of SURP EA4T axle steel specimens was predicted. The results show that SURP can reduce the surface roughness of the specimens to 0.17 μm and remove the groove morphology. Meanwhile, the surface hardness of the specimens is improved to 420 HV, and a surface residual stress of about −500 MPa and a residual stress layer with a depth of about 550 μm are introduced. There are conventional fatigue limits for grinding specimens, grinding with polishing specimens, as well as SURP specimens. The fatigue properties of grinding specimens and grinding with polishing specimens are basically the same, with a fatigue limit of 355 MPa. The fatigue property of SURP specimens is improved significantly, with a fatigue limit of 455 MPa, an increase of 28% compared with the grinding specimens. Fatigue fracture observations show that the fatigue cracks of all specimens initiate from the surface, and SURP cannot change the fatigue damage mechanism of the specimen. SURP can increase the threshold value of crack propagation of the specimen from 6.29 MPa·m^1/2 to 11.21 MPa·m^1/2, and it can slow down the crack initiation and propagation of short cracks, thus significantly improving the fatigue property of EA4T axle steel. The fatigue life prediction model of SURP EA4T axle steel has a prediction accuracy of 88.5%.
- EA4T axle steel /
- ultrasonic rolling /
- fatigue property /
- threshold value of crack propagation /
- BP neural network

HTML全文

川西区域地震活动性受北西向鲜水河构造活动断裂，北东向龙门山构造活动断裂，近南北向安宁河构造活动断裂构成的“Y”字型活动断裂带，及其相伴的巴塘、理塘、盐源、马边、马尔康和虎牙至漳肭等活动断裂带的控制. 就该区域内发育的断裂带及其活动性，许多科技工作者曾通过地质构造调查、新构造活动机制解析、地质样品测试分析和数值模拟等方法，进行了较多的相关研究^[1-5]. 这些研究包括鲜水河断裂带至小江断裂带的形成、第四纪活动性、不同破裂点的强震震级和复发时间间隔、晚、新生代以来的剪切变形测年及其构造意义、断层之间相互作用引起的触震与缓震效应、跨断层的变形特征以及强震之间相互作用的动力学特征等进行了不同程度的调查与研究. 深入探讨了鲜水河断裂带的形态、活动特征、机理与动力来源等，同时，论述了鲜水河断裂带近期的活动性及其发震条件与趋势^[6-7] . 此外，许多学者根据“5·12”汶川大地震所涉及龙门山断裂带活动现象与特征的分析，对龙门山断裂带的印支期左旋走滑运动及其大地构造成因、晚第四纪活动性、第四纪地质地貌与晚更新世以来的右行走滑运动特征、汶川8.0级地震前后的区域断裂活动性与构造应力场特征和断层形变异常、深部形变与汶川地震的成因关系等进行了研究，并深入分析了龙门山发生强震前后的断裂活动特征及成因^[8-12]. 还有学者根据大地形变监测资料、构造地貌和地层断错特征等，对安宁河断裂带晚第四纪运动特征与滑动速率、强震位错与古地震、断裂带凹、凸体分布和地震空区以及鲜水河—安宁河—则木河断裂带的地震破裂分段性等，作了较为系统的调查与研究，深入探讨了安宁河断裂带与相邻断裂带的第四纪活动特征及其发震潜势等^[13-19].

对于断裂带活动性的研究，除了利用传统的地质学、地貌学和大地形变观测等方法外，也基于地质力学、弹塑性力学、断裂损伤力学、岩体力学和数值模拟计算分析方法对不同尺度（范围）的最新地壳变形过程进行研究. 已有的研究虽然取得了许多进展，但2008年“5·12”四川汶川8.0级特大地震和2010年“1·31”四川遂宁5.0级地震或浅源地震，以及近年来川南地区发生的一系列中、强地震，都超出了人们对地震地质构造背景的传统认识. 这表明，目前的地震地质认知程度与社会防灾减灾需求之间还存在很大差距. 本文针对泥巴山特长隧道勘察发现的活动构造新现象，利用样品石英颗粒形态测定、区域构造地质力学原理和区域构造活动数值分析方法，对发现的地质构造新现象进行研究，修正完善该区域地震地质研究成果，为区内重大工程抗震设计和减灾提供理论支撑.

1. 场址区工程地质及活动构造新现象

1.1 工程地质环境概况

G5京昆高速公路雅安至西昌段穿越四川盆地西南边缘的大相岭泥巴山和拖乌山区，跨越大渡河谷. 大相岭泥巴山特长隧道全长10 007 m，最大埋深1 685 m，隧址区内发育断层和新构造现象见图1. 图中：f₁～f₁₁为隧址区内发育的中小断层，F₁～F₁₁为隧址区内发育较大规模的断层，F_11-1为F₁₁的分支断层.

图 1 隧址区断层及构造新现象平面分布

Figure 1. Plane distribution of faults and structural new phenomena in the tunnel site

下载: 全尺寸图片幻灯片

泥巴山是青衣江和大渡河的分水岭，位于一个箱型褶皱构造的大背斜之上，如图2所示. 泥巴山断裂带由分布于泥巴山两侧及其之间的多条中等规模断层组成. 据测绘统计，隧址区延伸长度达数公里和宽度达数米及以上的断层共22条，其中：走向N20.0°W附近的断层7条，走向近SN向的断层4条，走向近N40.0°W向的断层6条，走向近N53.0°W向的断层5条. 多数断层倾角大于70°，具左旋走滑兼逆断性质.

图 2 隧址区沿隧道轴线构造模式

Figure 2. Structural diagram of tunnel area

下载: 全尺寸图片幻灯片

长度百余米至数百米，宽度数十厘米的中、小断层共42条，走向和倾角的分布情况见表1. 其中，走向NNW—NWW的断层占73.9%，陡倾的占83.3%. 据隧址区及周围约150 km²测绘区的800余条节理统计，优势面分别为N39.0°W/NE∠81°、N5.0°W/SW∠85°、N78.0°E/SE∠79°；倾角大于60° 的结构面占78.6%，倾角大于75° 的结构面占64.3%，剪切性节理面占近90.0%.

表 1 中小断层参数统计表

Table 1. Statistics of parameters of small and medium fault

按断层走向统计			按断层倾角统计
走向	条数/条	占比/%	倾角/（°）	条数/条	占比/%
NEE	3	7.1	0～15	0	0
NE	5	11.9	15～30	0	0
NNE	3	7.1	30～45	1	2.4
NNW	5	21.5	45～60	6	14.3
NW	17	40.5	60～75	14	33.3
NWW	9	11.9	75～90	21	50.0

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 活动构造新现象及特征

隧址区工程地质测绘过程中发现4个活动构造新现象，分布于泥巴山两侧边界断层内，见图1中的现象1～4. 各新现象的基本特征简述如下：

1）构造新现象1

该新现象于吉祥水电站引水隧洞中地质调查时发现，3 条相邻的新鲜断层位于保皇断层带内，见图1中的现象1. 3条断层间隔4～8 m，宽度80～100 cm，两侧影响带宽度大于15 m. 断层岩为新鲜朱红色夹灰绿色条带，受强烈剪切挤压变形作用片理极为发育，产状N50.0°E/NW∠66°，平直光滑呈云母类鳞片状，单层厚度＜1 mm，断层岩之间的灰绿色条带状绿泥石化流纹岩（图3）. 断层岩石英颗粒形态电子显微观测（SEM）结果（表2）表明，保凰断层带晚上新世—早更新世及晚更新世期间活动过.

图 3 保凰断层带

Figure 3. Baohuang fault

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 2 石英颗粒形态电子扫描显微（SEM）测年结果

Table 2. SEM dating results of quartz grains

等级代号形态	贝壳状 I_o		次贝壳状 I_a		橘皮状 I_b		鱼鳞状 I_c		苔藓状 Ⅱ		钟乳/虫蛀状 Ⅲ		锅穴/珊瑚状 Ⅳ		活动年代推测
等级代号形态	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	活动年代推测
现象 1	0	0	5	15.6	0	0	9	28.1	18	56.3	0	0	0	0	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，Q₁ 及 Q₃ 均有
现象 2	10	9.8	24	23.6	9	8.8	18	17.6	18	17.6	12	11.8	11	10.8	Q₃ 概率最大，其余均有
现象 3	10	7.5	29	21.6	9	6.7	27	20.1	36	26.9	12	9.0	11	8.2	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，其余均有
现象 4	0	0	1	4	0	0	7	28.0	17	68.0	0	0	0	0	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，Q₁ 及 Q₃ 均有
年代/万年	0～ 1.17（Q₄）		1.17～ 12.60（Q₃）		12.60～ 78.00（Q₂）		78.00～ 259.00（Q₁）		259.00～ 360.00（ ${\rm{N}}_2^2$ ）		360.00～ 530.00（ ${\rm{N}}_2^1$ ）		＞530.00 （N₁）		总样品数 293 个

下载: 导出CSV

| 显示表格

2）构造新现象2

该现象是在对一个穿越曹大坪断层的旧铅锌矿矿硐进行调查测绘时发现的，位于曹大坪断层（F₁₁）带东南边缘，现象2的位置见图1，其特征见表2.

现场显示灰色碎块状白云岩覆盖在紫红色的漂卵石层沉积层之上，断层产状N13.0°W/NE∠22°，见图4所示. 新构造现象点位置断层岩石英颗粒SEM观测结果表明，该断层中晚更新世期间活动显著，全新世也曾活动过.

图 4 曹大坪断层

Figure 4. Caodaping fault

下载: 全尺寸图片幻灯片

3）构造新现象3

该现象是在对曹大坪断层进行地面地质测绘时发现的，位于F₁₀断层带范围地表，为一条发育于残坡积褐红色硬塑状含砾石黏土层中的剪切小断层. 其产状N11.0°W/NE∠55°，可见长度约3.2 m，整体呈微波状，断面有隐微擦痕，特征见图5. 现象3位置高程约1 750 m，具体位置见图1，其中的石英颗粒SEM观测结果见表2中的现象3. 观测结果表明，该断层从晚上新世以来具有持续活动性，晚上新世活动较强烈，早更新世、晚更新世及全新世都曾活动过. 构造新现象2和构造新现象3在平面上的关系见图1，剖面上的关系见图6 （图1中的剖面A—A'）.

图 5 坚硬黏土中的剪切节理

Figure 5. Shear joint in hard clay

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 曹大坪断层带断面特征（剖面A—A'）

Figure 6. Section of the Caodaping fault zone （section A—A'）

下载: 全尺寸图片幻灯片

4）构造新现象4

该构造新现象是高速公路修建开挖路基时揭露的，位于构造新现象3东侧约2 km的曹大坪断层带内，沿G5高速公路展布. 断面显示碎块状白云岩覆盖于褐红色可塑状含砾石洪积黏性土上，见图1中的剖面B—B'. 断层产状N44.0°E/SE∠36°，其特征如图7所示和图8所示剖面. 断层位置及断层岩石英颗粒SEM观测结果见图1和表2中的现象4. 观测结果表明，该断层晚上新世和早更新世曾活动过.

图 7 边坡揭露的断层特征

Figure 7. Fault characteristics of slope

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 曹大坪断层带断面特征（剖面B—B'）

Figure 8. Section of the Caodaping fault zone （section B—B'）

下载: 全尺寸图片幻灯片

本身具备鲜水河断裂带初始形成时南东延伸部分的空间特点和地质特征（见图9中的第（8）地震线）. 这预示着泥巴山断裂带与鲜水河断裂带应同属活动性断裂带，近期处于弱活动性时期，是否具备像龙门山断裂带那样的强烈地震孕生的潜在条件，值得深入探讨.

图 9 西南地区断裂及震中分布特征

Figure 9. Fault and epicenters distribution characteristics in southwest China

下载: 全尺寸图片幻灯片

对泥巴山断裂带新构造活动现象进行分析，深入探讨该断裂带与川西“Y”字型活动断裂带的成因关系及其第四纪活动性，为区内重大工程场地稳定性评价提供必要的构造地质依据具有重大意义.

2. 主要断裂带和新构造活动特征

如图1和图2所示，泥巴山断裂带由东北侧的保凰断层（F₁）和南西侧的曹大坪断层（F₁₁）为边界，包含两者之间9条大断层和10条中小型断层，这里重点阐述泥巴山断层带边界断层保凰断层和曹大坪断层特征.

1）保凰断层

保凰断层得名于其经过保新建材厂和凰义乡，位于泥巴山北东侧，发育于震旦统的流纹岩中，整体产状N10.0°W/SW∠60°，为右旋走滑兼逆冲断层，断带宽度60～80 m，北段分成2条分支，见图1中的F₁及F₂.

2）曹大坪断层

曹大坪断裂带F₁₁位于泥巴山南西侧，为一右旋走滑兼逆冲断层. 沿该断层带可见厚2 m左右的断层角砾岩，破碎带宽约150 m，断层走向N8.0°～15.0°W/NE∠50°～70°. 断层上盘为元古界下震旦统苏雄组的火山岩和开建桥组的火山沉积岩，似岩层产状N13.0°W/NE∠70°；下盘为上震旦统灯影组的白云岩层，牵引倒转段产状N12.0°W/NE∠65°.

3）区域新构造活动特征

表2观测数据显示保凰断层发育新鲜断层面活动过. 曹大坪断裂带上覆松散黏土层发育断层和基岩逆冲覆盖于堆积层上，断层岩石英颗粒形态SEM观测结果显示，大相岭两侧边界断裂第四纪中、晚期及全新世期间都明显活动过，说明该区的主要断裂带具有新构造活动迹象，并表现为走滑错动兼逆冲活动性质.

3. 新构造现象的区域构造意义讨论

3.1 区域新构造特征

西南地区是我国地质构造极其复杂和地震最为活跃的地区，四川及云南的地震灾害尤为突出. 四川西部、云南北部和贵州西北部地震活跃地区的断层迹线、历史地震震中和震级分布见图9 （图中的第（1）～（10））.

根据地震震中分布带、集中分布区和区域断层线优势方向，画一条直线通过震中集中带. 该线定义为该地震带的地震线^[15]. 参照地震活动断裂带进行规则化处理，得到由地震线构成的菱形网格线. 西南地区初步确定的地震线如表3.

表 3 西南部分地区地震线特征

Table 3. Seismic line characteristics in parts of southwest China

序号	地震线名称	经过地	方向	长度/km	所处的活动构造带名称
（1）	筠连—东川	筠连—昭通—东川	N32.8°E	283.7	东川—筠连—华蓥山
（2）	犍为—永仁	千位—马边—美姑—攀枝花—永仁	N32.8°E	430.2	犍为—马边，攀枝花—永仁
（3）	平武—丽江	平武—汶川—宝兴—宁蒗—丽江	N32.8°E	797.8	龙门山，木里—宁蒗—丽江
（4）	九寨沟—腾冲	九寨沟—松潘—新都桥—稻城—中甸—腾冲	N32.8°E	853.1	九寨沟—黑水，丹巴—新都桥，中甸—腾冲
（5）	松潘—曲靖	松潘—校场—汶川—马边— 东川—曲靖	SN	708.7	松潘—校场，龙门山，马边—昭通，东川曲靖
（6）	马尔康—西昌	马尔康—金川—丹巴—石棉— 冕宁—西昌	SN	468.5	安宁河，鲜水河及龙门山
（7）	甘孜—大理	甘孜—新龙—理塘—丽江—大理	SN	625.3	甘孜—理塘，丽江—大理
（8）	甘孜—马边	甘孜—炉霍—道孚—康定—马边	N32.8°W	602.1	鲜水河，马边—永善
（9）	理塘—曲靖	理塘—西昌—宁南—巧家— 东川—曲靖	N32.8°W	592.2	理塘—木里，西昌巧家，东川—曲靖
（10）	中甸—永仁	中甸—丽江—永仁	N32.8°W	289	中甸—丽江—永仁

下载: 导出CSV

| 显示表格

根据图9和表3可总结川西及其邻区的构造活动特征如下：

1）隧道及外围区域的活动断裂构造线具有优势方向，集中在NE、NW和SN 3个方向. 3个方向具有对称性，符合岩体力学莫尔-库伦强度理论. 根据地震线锐角2β = 73.2° （见图9中第（3）地震线与第（8）地震线的夹角）和2β = 90°−φ，计算得到岩体综合内摩擦角φ为16.8°，与常温常压下流纹岩的内摩擦角（平均为41.3°）相差较大. 断层是深部岩体破裂所致，深部岩体处于高温高压下，当岩体平均重度0.028 MN/m³，地温增温梯度3 ℃/100 m，岩体平均埋深按20 km估算，地下岩体温度可达600 ℃，垂直应力可达560 MPa. 此时岩体处于塑性状态，其内摩擦角变小，符合物理力学原理.

2）地震事件沿具有优势方向的活动断裂带附近发生，震级大小和平面分布密度不均匀，地震线两端相对集中分布、中间局部相对集中分布和沿地震线均有分布. 就此讨论如下：1）贯通性断裂带两端在外围构造作用下岩体变形集聚能量较多，岩体经常性破裂释放能量引起地震，如图9中的马尔康—西昌地震线；2）首尾相邻间隔的非贯通性断层，其间相对完整岩体（岩桥）在外围构造作用下岩体变形集聚较多能量，岩体破裂释放能量会引起地震，如图9中的筠连—东川地震线；3）沿地震线岩体特性差异明显，原有断层面力学特性差异较大，“凸起体”破裂和断层面黏滑变形，在外围构造力作用下断层两侧岩体变形集聚较多能量超限，断层面会“跳动式”滑移（近平面状黏滑型断层活动特征）或“凸起体”破断位移（锁固体型断层活动特征），岩体释放变形能量引起地震，如图9中的甘孜—马边和平武—丽江地震线.

3.2 泥巴山地区新构造体系特征

泥巴山地区位于四川盆地与川西山区过渡的起步地带；其地质构造总体格局和区域断裂构造特征见图9中的泥巴山隧址区、表3中的甘孜—马边地震线和表4中的保凰断裂和曹大坪断裂.

表 4 断层特征简表

Table 4. Summary of fault characteristics

断裂带名称	产状	长度/km	性质	组成断层/条	活动年限/万年	备注
鲜水河断裂	N40.0°W/SW∠60°	400	左旋兼逆冲	3	1.00 （全新世）	区域性断裂
龙门山断裂	N40.0°E/NW∠60°	500	右旋兼逆冲	3	1.00 （全新世）
安宁河断裂	N2.0°E/SE∠70°	350	逆冲兼左旋	2	1.00 （全新世）
荥—马断裂	N28.0°W/SW∠60°	250	逆冲兼左旋	9	1.00 （全新世）
九襄断裂	N60.0°E/NW∠47°	30	压扭	1	6.24～7.15 （晚更新世）	隧址区控制性断裂
保凰断裂	N40.0°W/SW∠75°	100	左旋兼逆冲	2	40.70～51.90 （中更新世）
金坪断裂	N20.0°W/NE∠60°	84	左旋斜冲	1	10.72～12.54 （晚更新世）
红花断裂带	N30.0°W/SW∠85°	50	压性	1	36.76～43.06 （中更新世）
曹大坪断层	N35.0°W/SW∠86°	25	压扭	1	6.40～7.60 （晚更新世）

下载: 导出CSV

| 显示表格

显然，泥巴山隧道所在的小区域位于川西强活动构造带的东侧，大区域上属于西南地区“菱形棋盘式”断裂构造带和地震震中集中分布线上的平武—丽江地震线东南侧的甘孜—马边地震线构造体系. 对泥巴山地区起控制作用的区域性断裂和区内断层情况见表4，这些断层多数在晚更新世以来有不同程度的活动.

3.3 泥巴山断裂带新构造意义讨论

泥巴山隧址区位于川西三大活动断裂带的交汇区域，在区域多期地质作用下，其构造必然受3大活动断裂的叠加作用影响.

平面上场址区断裂走向多为NW，反映了区域的构造格局；在剖面上断层以陡倾为主，多大于60°，倾向变化规律性明显：泥巴山背斜北东翼断层倾南西，背斜南西翼断层倾北东，横剖面上呈扇状展布格局，这是本区断层组合的突出特征，反映断层与褶皱成因上具有密切关系. 断层性质以逆断和逆兼平移断层为主，也反映了与区域构造变形的协调性.

隧址区断层与鲜水河断裂带的几何特征相似，位于同一条地震线上；隧道出口地段的旧矿洞内碎块状白云岩覆盖于漂卵石层之上（图6），断层岩石英颗粒SEM观测结果表明（表2），该断裂带晚更新世以来活动过，认为隧址区断层与鲜水河断裂带存在成生关系. 即鲜水河断裂带形成之初是向SE方向延伸的，并与隧址区断层相连，这会对该隧道和附近城镇建设等工程产生显著影响. 据地面调查，隧址区西南侧的曹大坪断层带及其破碎带宽200～300 m，沿大相岭南西侧延伸大于30 km，位于川西“Y”字型活动构造带的鲜水河活动断裂带的南东延伸方向，其走向与鲜水河活动断裂带整体走向基本一致，中段及南东段露头较好，北西段因第四系地层覆盖仅局部出露，沿线地貌特征有所显现. 曹大坪断层带北东侧（上盘）为大相岭，地层为下震旦统苏雄组流纹岩至上二叠统峨眉山玄武岩，南西侧（下盘）为宜东向斜，地层为三叠系下统飞仙关组钙质泥岩至侏罗系上统砂质泥岩，断层南西侧发育系列洪积扇. 根据地层对比，大相岭新构造阶段的垂直抬升约2000 m^[14]. 自有地震记录以来，沿大相岭断层带附近共发生过8次地震，最大震级为5.9级，“5·12”汶川大地震前后虽然活动不显著，其南偏东约距22 km的汉源老县城及其周边地区，地震破坏较为严重，震害系数平均达0.2，最大达0.5，局部烈度达 Ⅸ 度，而周围的烈度仅为 Ⅶ 度^[14]，最近该断层带附近的宜东镇和芦山县及宝兴县相继发生了4.8级、6.1级和4.5级中震. 为何出现这种地震烈度的“孤岛”效应，从地形及非均匀地层成因的解释都缺乏依据和逻辑，构造因素应该是主要原因. 按照地形高程平均处理可得到泥巴山隧址区的地形抬升幅度变化见图10. 该区地形的差异抬升也能间接反映泥巴山断裂带与鲜水河断裂带具有同根性.

图 10 区域差异抬升幅度

Figure 10. Range of regional differential uplift

下载: 全尺寸图片幻灯片

综上所述，根据地质力学及岩体力学原理，对隧址区新构造特征和相关区域地质构造过程归纳如下：

1）泥巴山断裂带应该与鲜水河断裂带具有同根性，并是同期形成的. 燕山构造早、中期，近南北向地壳构造应力作用下，该区域地壳岩体形成了 “X”巨形剪切破裂面. 其中，鲜水河断裂带及大相岭至马边—盐津断裂带共同构成北西—南东支；龙门山断裂带及宁蒗—丽江断裂带共同构成北东—南西支；“X”破裂面北段地区地层岩性是三叠系为主的页岩及炭质页岩与砂岩互层，岩性总体较软，南北向挤压形成东西向弧形褶皱和小规模断层，岩层变质为变质砂岩及炭质板岩；“X”破裂面南段地区岩性以闪长岩及花岗岩为主，岩性总体坚硬，南北向挤压下形成一系列南北向压张性断裂面，发展成为现今的安宁河张性为主的断裂带，见图11.

图 11 燕山期川西构造模式示意

Figure 11. Tectonic model of Western Sichuan of Yanshan tectonic period

下载: 全尺寸图片幻灯片

2）燕山构造晚期区内构造主应力方向向东稍微偏转，受太平洋板块的推挤，四川盆地所在的准扬子地台对川西地区产生“主动性约束”，横断山区受印度洋板块的“被动约束”，导致川西前期形成的南北向“X”剪切破裂和北部弧形构造及南部压张性断裂产生变形位移，断裂面倾西. 南部两支断裂带发生非对称性靠拢式闭合位移，北东及北西向剪切走滑断层产生剖面剪切逆冲活动；南北向压张性断裂产生韧性剪切带型逆冲活动. 北部两支断裂产生了偏转及少量平移，同时开始产生韧性剪切型逆冲活动（图11）.

3）喜山构造期，印度洋板块在约N80.0°W方向，长达2900 km的边界上，长期主动挤压欧亚板块，形成喜马拉雅山构造带. 中间约2000 km段剖面上产生大距离的“塑性剪切变形—滑脱—俯冲—超覆构造”作用. 两端却“互不相让”产生了对撞挤压作用，形成了所谓的“东构造结”和“西构造结”. 印度洋板块持续向NNE强烈挤压，青藏高原及其东南部横断山区产生了大、小规模（图12）的塑性剪切滑移大变形，形成了青藏高原东部一系列的大弧形左旋走滑为主的陡倾活动断裂（印度洋板块挤压引起），以及青藏高原东南部和横断山区北部弧形左旋走滑为主的陡倾活动断裂（“东构造结”引起，图12）. 这样对川西原始的“X”构造格局产生2个方面的作用：一是“东构造结”将印度洋板块NNE向的最大主应力作用方向，转换为对川西地区西侧放射形方向的主应力作用，应力强度由北往南逐渐减弱；二是印度洋板块通过喜马拉雅山构造带对青藏高原产生类似于“东构造结”的作用，将印度洋板块NNE向的最大主应力作用方向更大范围地转换为对川西地区北侧近东西向的主应力作用. 由于大范围的塑性剪切大变形会消耗大量的能量和“东构造结”的应力集中，最大主应力强度与“东构造结”引起的最大主应力强度相比小得多. 在两者的综合作用下，川西地区受到的现今构造主应力方向仍然是NW.

图 12 喜山期川西构造模式

Figure 12. Tectonic model of Western Sichuan in Himalayas period

下载: 全尺寸图片幻灯片

4）喜山期构造作用和四川盆地“主动约束”下，鲜水河断裂带仍以走滑活动为主，整体上由初始的右旋走滑逐渐过渡为现今的左旋走滑. 龙门山断裂带整体上以走滑为主兼逆冲滑移，并由燕山构造期的左旋逐渐过渡为现今的右旋走滑. 鲜水河断裂带整体逆时针转动，龙门山断裂带也整体逆时针转动，前者转动量大于后者，导致两者地震线夹角增加到至今的73.2° （图12）. 南部的锦屏山断裂和大相岭断裂因前期“靠拢”位移，来自北部近东西向的大主应力和云贵高原的被动抗力及四川盆地基底的主动抗力，不利于两者产生剪切走滑错动，而是以韧性剪切带式的逆冲错动为主. 另一方面，在印度洋板块向北挤压派生来的水平构造力作用下，与鲜水河断裂带和龙门山断裂带在平面位置及方向上一致的雅—宜断裂带和康—九断裂带具有一定的活动性.

4. 隧址区区域构造特征数值分析

近年来，大量学者使用数值模拟技术对高地应力条件下的构造应力场和断裂带进行了模拟分析. 许尧^[20]使用FLAC3D软件运用三维数值模拟技术对泥巴山隧址区区域地应力场进行了反演，分析地应力的空间变化规律. 颜天佑等^[21]结合滇中引水香炉山隧洞工程，针对实测结果中方向结果离散性较大的问题，基于中国现代构造地应力场特征，使用FLAC3D软件对丽江地区复合断裂对区域地应力场的影响进行数值模拟，获取了地应力场方向的定性认识. 徐正等^[22]使用FLAC3D软件对汶马高速鹧鸪山隧道三维地应力场进行了反演. 师皓宇等^[23-24]分别采用FLAC2D和FLAC3D模拟分析了龙门山断裂形成过程和塑性区分布的几何特征及断裂带附近区域的地貌形成过程和地应力演化机制.

利用有限差分软件FLAC3D数值模拟计算方法对上述区域地质构造过程进行模拟分析，探讨隧址区的应力场和变形场及其与区域新构造的关系. 有限差分数值模拟计算方法的原理是基于介质弹性、塑性和黏性物理力学特性基础之上的弹性力学问题且满足误差要求的近似解法，是弹塑性力学问题解析法的重要补充，已在土木工程各领域得到广泛应用^[12].

4.1 模型构建及材料参数

将川西“Y”字型活动断裂体系作为区域构造框架进行模型构建，涉及面积7.8 × 10⁴ km²，厚度45 km. 坐标向上为Z，西向东为X，南往北为Y，见图13. 浅部岩体和断层岩物理力学参数参照文献、试验和岩体结构综合确定；深部岩体物理力学参数依据纵波速度选取. 确定的综合参数见表5. 数值计算模型中的各地层岩土体材料都采用理想弹塑性本构模型.

图 13 数值分析模型

Figure 13. Numerical analysis model

下载: 全尺寸图片幻灯片

4.2 边界条件确定

隧址区4个钻孔11个孔段地应力测试数据和区域12个钻孔约200 m深度的水压致裂法地应力测试数据分别见表6、7^[15]. 表中：σ_v为地应力垂直向分量，σ_H和σ_h分别为平截面内最大主应力和最小主应力. 结果显示，区域和隧址区水平最大主应力方向均值分别为54.8° 和55.1°.

表 5 岩体工程特性参数表

Table 5. Rock engineering characteristic parameter

深度段/km	分区	容重/ （kN·m⁻³）	弹性模量/GPa	泊松比	内摩擦角/（°）	黏聚力/MPa
[0, 5]	Ⅰ	24.0	45	0.22	40	25.00
	Ⅱ	26.0	40	0.22	35	20.00
	Ⅲ	26.0	35	0.22	37	22.00
	断层岩	21.0	2	0.24	17	0.10
(5, 15]	Ⅰ	26.0	80	0.25	55	37.00
	Ⅱ	26.5	75	0.25	50	32.00
	Ⅲ	26.5	70	0.24	45	27.00
	断层岩	22.0	3	0.26	18	0.10
(15, 25]	完整岩	2.7	90	0.26	60	50.00
(15, 25]	断层岩	24.0	5	0.27	19	0.12
(25, 45]	完整岩	2.8	100	0.28	55	45.00
(25, 45]	断层岩	25.0	5	0.28	19	0.12

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 6 隧址区岩体地应力测试结果

Table 6. Ground stress test results of rock mass in tunnel area

孔号	压裂段深度/m	应力值/MPa			较大水平主应力方向
孔号	压裂段深度/m	σ_H	σ_h	σ_v	较大水平主应力方向
Zk2	351.20	16.02	10.10	9.31	N37.0°W
Zk2	430.74	20.12	14.20	11.42	N20.0°W
Zk3	662.23	19.59	13.23	17.23	N48.0°W
Zk3	753.50	18.56	13.16	19.60	N68.0°W
Zk3	906.45	21.41	15.04	23.58	N58.0°W
Zk4	1113.12	25.08	18.11	28.92	N55.0°W
Zk4	1262.49	29.54	21.98	32.80	N59.0°W
Zk4	1324.27	32.84	22.98	34.40	N67.0°W
Zk5	617.35	9.56	8.21	16.81	N52.0°W
Zk5	804.62	14.33	12.85	21.90	N67.0°W
Zk5	831.11	17.86	13.26	22.60	N75.0°W

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 7 区域岩体地应力测试结果

Table 7. Ground stress test results of rock mass in region

测量地点	岩性及时代	σ_H/MPa	σ_h/MPa	最大主应力方向
普格荞窝	奥陶纪灰岩	6.22	4.70	N54.4°W
冕宁泸沽	燕山期花岗岩	4.12	3.66	N59.3°W
丹巴	海西期角闪岩	5.35	3.45	N24.2°W
雅江	三叠纪砂岩	6.48	4.84	N56.0°W
宝兴锅巴岩	奥陶纪大理岩	8.75	6.13	N60.7°W
康定呷巴	三叠纪砂板岩	6.55	5.15	N85.7°W
康定长河坝	晋宁期花岗岩	6.15	3.00	N82°W
天全	老第三纪砂岩	4.69	3.29	N68.6°W
雅安	老第三纪砂岩	4.13	2.50	N45.0°W
乾宁	三叠纪砂岩	3.65	2.46	N53.4°W
理塘	三叠纪板岩	8.50	4.55	N34.5°W
义敦	燕山期花岗岩	4.76	1.66	N33.4°W

下载: 导出CSV

| 显示表格

根据地应力测试数据，对模型应力边界条件进行数值计算反演. 其思路为：模型顶部地面自由，模型底、南和东侧边界法向位移固定，2个切向位移自由；西侧和北侧边界施加法向应力σ_x及σ_y，剪切应力τ_xy及τ_yx，边界上的τ_xz和τ_yz为0. 调整西侧和北侧边界上σ_x、σ_y和τ_xy（τ_yx）大小及其组合，直至所有测试地应力分量与反演地应力分量之间的综合误差最小，据此确定应力边界条件. 反演获得北侧和西侧边界应力随深度（h）的变化分别见式（1）和式（2）.

$\left\{\begin{array}{l} {\sigma _{\rm{h}}} = 1.4 + 0.017h,\\ {\sigma _{\rm{H}}} = 2 + 0.024\;5h. \end{array} \right.$

(1)

4.3 模拟结果及分析

典型深度平切面内的最大剪应力等值线见图14. 根据弹塑性力学原理和岩体力学莫尔-库伦强度理论，剪应力较大和变化率较大的地带容易产生剪切滑移变形及破坏. 显然，区域中的剪应力集中带基本构成了一个“X”型态，特别是地面以下6～28 km深度平切面更加显著；“X”型态是非对称的，南部显示有3个线性图像带，证明泥巴山断裂带与鲜水河断裂带同根并是其东南延伸部分.

图 14 区域不同深度平截面最大剪应力等值线（单位：MPa）

Figure 14. Maximum shear stress contours (unit: MPa)

下载: 全尺寸图片幻灯片

5. 结　论

1）在四川大相岭泥巴山隧道工程区延伸数十公里及以上的断层至延伸数百米的构造节理走向北西方向占到75%以上，倾角陡倾的比例大于80%，剪切性质的比例大于85%，这些构造结构面的优势方向及陡倾特征与鲜水河断裂带具有较好的一致性.

2）川西大相岭地区泥巴山断裂带存在新构造活动现象，而且石英形态SEM观测结果显示泥巴山断裂带晚更新世以来活动的几率为27%，说明该隧址区的控制性边界断裂应为活动性断层.

3）川西地区活动断裂带及地震带可以用地震线来表达，指示了活动构造断裂及地震分布带与区域构造最大主应力方向及其演变过程关系，并表明川西地区的地震线分布与活动断裂分布具有一致性.

4）泥巴山断裂带及其东南方向延伸构造带与鲜水河构造断裂带具有同根性，应属于同一条地震线，具有同期形成的地质力学和岩体力学特征与地质演变历史.

图 1 试样取样位置示意

Figure 1. Specimen location

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 试样形状及尺寸

Figure 2. Shape and dimension of specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 试样表面三维形貌和轮廓

Figure 3. 3D surface morphologies and profiles of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 试样剖面维氏硬度分布

Figure 4. Vickers hardness distributions of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 试样剖面残余应力分布

Figure 5. Residual stress distributions of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 试样剖面FWHM分布

Figure 6. FWHM distributions of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 SURP处理和研磨试样的XRD

Figure 7. XRD patterns of SURP and grinding specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 S-N曲线

Figure 8. S-N curves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 研磨试样疲劳断口

Figure 9. Fatigue fracture of grinding specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 SURP处理试样疲劳断口

Figure 10. Fatigue fracture of SURP specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 研磨抛光和SURP处理试样的裂纹扩展速率

Figure 11. Crack propagation rates in grinding with polishing and SURP specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 研磨抛光和SURP处理试样裂纹扩展行为

Figure 12. Crack propagation behaviors of grinding with polishing and SURP specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 BP神经网络模型的结构

Figure 13. Structure of BP neural network model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 14 BP神经网络训练集结果

Figure 14. Training set results of BP neural network

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 15 BP神经网络测试集结果

Figure 15. Testing set results of BP neural network

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 EA4T化学成分

Table 1. Chemical composition of EA4T axel steel %

化学成分 C Si Mn P S Cr Cu Ni Mo

质量百分比 0.2700 0.3900 0.7200 0.0075 0.0013 1.1100 0.0140 0.2500 0.2470

下载: 导出CSV

表 2 试样的加工方式和试验内容

Table 2. Processing method and experimental content of specimens

试样种类加工方法试验内容

1 研磨疲劳试验
2 研磨抛光疲劳试验、裂纹扩展试验
3 SURP 疲劳试验、裂纹扩展试验

下载: 导出CSV

参考文献(23)

[1]	翟婉明,赵春发. 现代轨道交通工程科技前沿与挑战[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 209-226. ZHAI Wanming, ZHAO Chunfa. Frontiers and challenges of sciences and technologies in modern railway engineering[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(2): 209-226.
[2]	李祥志,张艳,徐良乐,等. 高速车轴的疲劳断裂及其应对措施[J]. 热加工工艺,2017,46(18): 25-29. LI Xiangzhi, ZHANG Yan, XU Liangle, et al. Fatigue fracture of high-speed axle and corresponding improvement measures[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(18): 25-29.
[3]	宮昱滨,鲁连涛,张远彬. 气体渗氮对中碳车轴钢疲劳性能的影响[J]. 实验力学,2017,32(1): 63-69. GONG Yubin, LU Liantao, ZHANG Yuanbin. Effect of gas nitriding on fatigue performance of medium carbon axle steel[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2017, 32(1): 63-69.
[4]	于鑫. 高速列车车轴加工残余应力与疲劳寿命关系研究[D]. 济南: 山东大学, 2015.
[5]	任学冲,陈利钦,刘鑫贵,等. 表面超声滚压处理对高速列车车轴钢疲劳性能的影响[J]. 材料工程,2015,43(12): 1-5. REN Xuechong, CHEN Liqin, LIU Xingui, et al. Effects of surface ultrasonic rolling processing on fatigue properties of axle steel used on high speed train[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(12): 1-5.
[6]	王睿,刘鹏涛,刘德义,等. 表面超声滚压工艺参数对EA4T车轴表面性能的影响[J]. 热加工工艺,2021,50(4): 88-92. WANG Rui, LIU Pengtao, LIU Deyi, et al. Influence of surface ultrasonic rolling process parameters on surface performance of EA4T axle[J]. Hot Working Technology, 2021, 50(4): 88-92.
[7]	陈利钦,项彬,任学冲,等. 表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 中国表面工程,2014,27(5): 96-101. CHEN Liqin, XIANG Bin, REN Xuechong, et al. Influences of surface ultrasonic rolling processing parameters on surface condition of axle steel used in high speed trains[J]. China Surface Engineering, 2014, 27(5): 96-101.
[8]	张秀华,刘怀举,朱才朝,等. 基于数据驱动的零部件疲劳寿命预测研究现状与发展趋势[J]. 机械传动,2021,45(10): 1-14. ZHANG Xiuhua, LIU Huaiju, ZHU Caichao, et al. Current situation and developing trend of fatigue life prediction of components based on data-driven[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2021, 45(10): 1-14.
[9]	MALEKI E, UNAL O, REZA KASHYZADEH K. Fatigue behavior prediction and analysis of shot peened mild carbon steels[J]. International Journal of Fatigue, 2018, 116: 48-67. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2018.06.004
[10]	苏凯新,张继旺,李行,等. 基于神经网络的喷丸25CrMo合金疲劳寿命及残余应力松弛行为预测研究[J]. 稀有金属材料与工程,2020,49(8): 2697-2705. SU Kaixin, ZHANG Jiwang, LI Hang, et al. Prediction of fatigue life and residual stress relaxation behavior of shot-peened 25CrMo axle steel based on neural network[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(8): 2697-2705.
[11]	Japanese Industrial Standards Committee. Geometrical product specifications (GPS)-surface texture: profile method-rules and procedures for the assessment of surface texture: JIS B0633—2001. Tokyo: [s.n.], 2001.
[12]	LIN J, MA N S, LEI Y P, et al. Measurement of residual stress in arc welded lap joints by cos α X-ray diffraction method[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 243: 387-394. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.12.021
[13]	何少杰,杨文玉,郭步鹏,等. 机加工表面残余应力及其疲劳寿命评价的研究进展[J]. 表面技术,2015,44(6): 120-126,132. HE Shaojie, YANG Wenyu, GUO Bupeng, et al. Research progress on evaluation of surface residual stress and fatigue life of machined products[J]. Surface Technology, 2015, 44(6): 120-126,132.
[14]	HARADA Y, FUKAURA K, HAGA S. Influence of microshot peening on surface layer characteristics of structural steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 191(1/2/3): 297-301.
[15]	UNAL O, VAROL R. Almen intensity effect on microstructure and mechanical properties of low carbon steel subjected to severe shot peening[J]. Applied Surface Science, 2014, 290: 40-47. doi: 10.1016/j.apsusc.2013.10.184
[16]	MALEKI E, UNAL O, KASHYZADEH K R. Effects of conventional, severe, over, and re-shot peening processes on the fatigue behavior of mild carbon steel[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 344: 62-74. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.081
[17]	LU J Z, LUO K Y, ZHANG Y K, et al. Grain refinement of LY2 aluminum alloy induced by ultra-high plastic strain during multiple laser shock processing impacts[J]. Acta Materialia, 2010, 58(11): 3984-3994. doi: 10.1016/j.actamat.2010.03.026
[18]	徐锋,章武林,杜永强,等. EA4T车轴不同加工工艺表面完整性分析[J]. 表面技术,2017,46(12): 277-282. XU Feng, ZHANG Wulin, DU Yongqiang, et al. Analysis of surface integrity of EA4T axle being processed in different technologies[J]. Surface Technology, 2017, 46(12): 277-282.
[19]	NOVOVIC D, DEWES R C, ASPINWALL D K, et al. The effect of machined topography and integrity on fatigue life[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, 44(2/3): 125-134.
[20]	YILMAZ H, SADELER R. Impact wear behavior of ball burnished 316L stainless steel[J]. Surface and Coatings Technology, 2019, 363: 369-378. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.02.022
[21]	袁劲松. 金属腐蚀疲劳裂纹扩展速率的近似计算[J]. 材料开发与应用,2000,15(2): 26-29. doi: 10.3969/j.issn.1003-1545.2000.02.008 YUAN Jinsong. Approximate calculation of crack propagation rate of metal corrosion fatigue[J]. Development and Application of Materials, 2000, 15(2): 26-29. doi: 10.3969/j.issn.1003-1545.2000.02.008
[22]	MURAKAMI Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions[M]. [S.l.]: Elsevier, 2002.
[23]	王慧军,陈林,郭飞翔,等. 残余应力对U₇₅V重轨钢疲劳裂纹扩展速率的影响[J]. 金属热处理,2017,42(6): 23-27. WANG Huijun, CHEN Lin, GUO Feixiang, et al. Effect of residual stress on fatigue crack propagation rate of U₇₅V heavy rail steel[J]. Heat Treatment of Metals, 2017, 42(6): 23-27.