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《中南大学》 2012年
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静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态力学特性研究

金解放  
【摘要】:多数岩体工程在爆破开挖过程中,围岩承受载荷的形式为具有一定静应力下的循环冲击载荷。岩石在静态或准静态循环荷载作用下的力学特性已取得了丰硕的研究成果,理论体系较完善。对岩石在循环冲击载荷作用下的强度、变形、能量耗散、破坏模式及机理等方面的研究明显不足,其理论研究明显落后于工程实际应用。本文利用动静组合加载试验装置,对岩石在静载荷和循环冲击组合作用下的力学特性进行研究。主要内容和结论性成果如下: (1)从理论和试验两个角度证明,利用动静组合加载试验装置进行冲击试验,当弹性杆具有不同轴压,冲头以相同冲击速度撞击弹性杆时,导致入射波的大小不同;轴压越大,入射波越小。因此对具有不同轴压的岩石进行相同能级循环冲击试验时,应确保入射杆上测得的入射波大小相同,而不是确保冲头具有相同的冲击速度(或冲击动能)。 (2)在循环冲击过程中,单次冲击得到的岩石应力-应变曲线大致可以分为5个阶段:压密阶段、极短的弹性阶段、裂纹扩展的加载阶段、第一卸载阶段和第二卸载阶段。随着冲击次数的增加,透射波幅值越来越小,其峰值出现的时间越来越早;反射波幅值越来越大,其峰值出现的时间越来越晚。 (3)轴压和循环冲击组合作用下,随着循环冲击次数的递增,岩石平均应变率、峰值应变和单位体积吸收能逐渐增大;峰值应力、加载段变形模量、第一卸载阶段变形模量的绝对值、恢复的弹性应力和应变逐渐减小,表明岩石抵抗外部冲击载荷的强度和变形能力逐渐降低。当冲击载荷一定时,轴压的大小对岩石抵抗循环冲击载荷的能力影响较大,轴压为单轴抗压强度的22%时,岩石的抵抗能力最强。 (4)三维静载和循环冲击组合作用下,相同围压时,岩石承受的总循环冲击次数随轴压的增大而减小;相同轴压时,随着围压的增高,总循环冲击次数逐渐增加。随着循环冲击次数的增加,岩石动态强度和变形能力逐渐减小。动态强度和平均应变率具有良好的负相关性,二者具有线性关系。 (5)理论分析和试验结果表明,岩石单位体积吸收能和吸能效率随循环冲击次数的增加而增加;随着循环冲击次数的增加,反射能逐渐增加,透射能逐渐减小,二者呈指数函数形式变化。平均应变率和单位体积吸收能间具有良好的正向相关性;当围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,斜率K随围压的增加先增加后降低,轴压越小斜率K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125MPa时,斜率K随围压的增加始终降低。 (6)在理论和试验角度分析得出,裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性;在同一损伤过程中,波阻抗和纵波波速的相对变化幅值接近,分别用其定义的损伤变量变化趋势一致。为此,可用波阻抗定义循环过程中岩石的损伤变量。 (7)建立适合表征循环冲击过程中岩石损伤累积演化的倒S型非线性模型,探索模型中参数的物理意义,并给出相应的取值范围。相比已有的损伤累积模型,该模型最大的优点是能体现出轴压和围压对损伤累积演化的影响;也可以描述岩石在多级循环冲击载荷作用下的损伤累积演化特性。当围压增加到一定值时,轴压的大小对岩石损伤累积的影响减弱;无论轴压大小如何,围压始终影响着岩石的损伤累积演化路径。 (8)无静载作用的岩石在循环冲击作用下,试件逐步破坏成几块,破裂面沿着试件的纵向面,破坏主要是由于横向张应变引起的,为张裂破坏。无围压有轴压岩石试件在循环冲击载荷作用下,由于界面摩擦力的约束,第一次破坏形成的破裂面呈共轭双曲线型,第二次及后续破坏主要发生在与入射杆的接触处,破坏都属于张剪破坏。具有三向静载的岩石在循环冲击作用下破坏形成圆锥体(台),属于拉剪破坏。轴压的大小对形成圆锥顶部大小影响较大。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TU458.3

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