高应变率下弱风化花岗岩压缩性能及损伤破裂试验研究

发布时间：2020-11-08 14:27

　　 花岗岩风化壳区内进行的工程爆破活动,无不涉及风化岩石高应变率下的损伤破裂等力学问题。本文以国家自然科学基金项目(NO.51404111)为依托,以弱风化花岗岩为研究对象,利用SHPB研究高应变率下弱风化花岗岩压缩性能及损伤破裂特性。对比分析风化和致密花岗岩动静抗压性能、不同孔隙度弱风化花岗岩的动力学特性、循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化规律及其动态损伤演化本构模型和强度准则,取得如下结论。(1)利用SHPB试验技术对孔隙度相近的弱风化与致密花岗岩,进行应变率在5.0×10~(-5) s~(-1)和26.07 s~(-1)～75.16 s~(-1)下的单轴压缩试验,对比分析了两者强度和变形特性、能量耗散规律。研究表明,弱风化岩石比致密岩石的反射波幅值高、透射波幅值低;两种岩石在不同应变率下,动态峰值应力和弹性模量呈先增后减趋势变化,应变率、峰值应变和最大应变呈指数式增长,动态弹性模量与应变率弱相关,有增大趋势;两种岩石能量耗散具有显著的应变率效应,且破碎程度与应变率正相关。(2)利用NMR技术研究了孔隙度在2%～8%弱风化花岗岩的孔群层次细观结构分布,筛选出两组不同孔隙的岩样,分别进行损伤和破坏冲击,研究了不同孔隙岩石应力波的传播特性和应力-应变曲线的演化规律。研究表明,弱风化花岗岩随孔隙度增大,强度降低、变形和应变率增加;损伤冲击吸收能与孔隙度呈正相关,破坏冲击则相反;弹性模量与初始损伤程度相关,与应变率相关性不强。(3)利用能量法确定弱风化花岗岩的有效损伤阈值为0.0410 J/cm~3,研究等速/不等速循环冲击下弱风化花岗岩力学特性。研究表明,等速循环冲击中,随冲击次数的增加,弹模、割线模量均减小,应变率呈先增后减的趋势,吸收能不断增长;在不等速循环冲击中,弹性模量和峰值应力呈先增后减,应变和应变率不断增长;循环冲击下损伤演化具有典型的三个阶段,建立了的双参数损伤演化模型;利用最大应变法确定义的损伤变量可以统一描述等速/不等速循环冲击损伤演化规律,损伤度等于0.45是加速破坏的阈值。(4)基于连续损伤力学,建立了应变、应变率相关的损伤演化方程;基于等效应变假设,构建弱风化花岗岩的分段动态损伤演化本构模型,并讨论了多种强度准则,及其在岩土爆破设计中装药量、压碎圈半径和周边控制爆破孔内装药参数计算。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD315
【部分图文】：

第一章绪论6(c)广义流变模型(d)时效损伤本构模型图1.2动态本构模型2006年单仁亮等[64]在研究无烟煤动态损伤本构模型时引入线性黏弹性本构模型[65]，说明图1.2中的模型对“软岩”实用性不强。线性黏弹性本构模型是胡时胜等[65]为适用混凝土，基于1981年朱兆祥、王礼立和唐志平针对工程塑料首次提出的非线性黏弹性本构模型[66]而改进的。非线性黏弹性本构模型由非线性弹簧E0、低频Maxwell体1和高频Maxwell体2并联组成，物理模型如图1.3a，结合热激活损伤演化模型，得到计及损伤动态演化的ZWT方程[67,68]（MD-ZWT模型）：e1200121expexpttttDEdEd(1.6)23e0E(1.7)1DthDKε>εth(1.8)混凝土、岩石[64,65]脆性材料在弹性阶段σ-ε曲线呈线性，故取σe(ε)的第一项；为便于研究用弹性模量折减法宏观定义损伤变量，D=1-E(εi)/E0，其中E(εi)为σ-ε曲线上任一点与原点的割线模量，E0为初始弹性模量，物理模型同图1.3a。对于高应变率花岗岩的SHPB试验，凌天龙等[69]将低频Maxwell体1等效为弹模为E1的弹簧，令Ea=E0+E1，则(1.6)可化简为：a2021expttDEEd(1.9)在考虑损伤时对ZWT模型整体做损伤处理，存在物理意义模糊的问题，故赵光明等[70]将ZWT模型中非线性弹簧换成损伤体D0，损伤体强度沿用文[58]，物理模型如图1.3b，本构模型为：112212exp1exp1expmDEEE(1.10)李淼[71]对模型1.3b进行简化，直接剔除低频Maxwell体1，损伤体强度沿用文[60]，物理模型为图1.3c，本构模型为：

第一章绪论72202exp1expmDEEF(1.11)相较于(1.10）更加简洁。随后谢理想等[72]考虑到黏缸无损伤特性，故用损伤体代替ZWT模型中的弹性元件，损伤体与黏缸串联，组成低频损伤黏弹体1和高频损伤黏弹体2，物理模型如图1.3d，损伤体强度沿用文[58]，本构模型为：121122expexp11220exp11mmmDEEeEe(1.12)该模型具有明确的物理意义，适用于不同应变率的软岩和混凝土，能反映复杂的动态力学特性，但需要确定11个参数。(a)ZWT模型(b)软岩改进ZWT模型(c)改进ZWT简化模型(d)黏弹性损伤模型图1.3ZWT模型及其改进模型除此之外，朱晶晶[59]综述了其他岩石动态本构模型，如动态损伤累积模型、NAG模型、TCK模型、J-H模型、Rajendran-Grove模型等[73-78]。综上，采用流变元件和损伤体组合建立动态损伤本构模型时，反映岩石真实动力学行为模型的复杂性与工程应用要求的简洁性相矛盾，建立统一的岩石动力学模型难度更大。因此，部分学者从岩石的σ-ε曲线出发，以损伤力学为基础，分段构建岩石动态本构模型[79-81]。众多研究中，鲜有对孔裂隙发育的风化岩石动态损伤本构模型进行研究的，用流变元件构造本构模型时难以反映岩石真实力学行为，且存在上述矛盾。以弱风化花岗岩试验的σ-ε曲线出发，研究分段构建动态损伤本构模型的简洁方法是必要的，可为风化壳岩土工程的施工提供理论指导。

高径比为1的弱风化(下)和
【参考文献】

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本文编号：2874909