岩石动态力学行为的数值模拟研究

【摘要】：随着人们对地下空间和资源等方面的需求逐渐提升,岩体工程逐步的向深部发展,岩石材料的动态力学特性被广泛关注。常见的动态扰动包括爆炸、震动、冲击和地震等,这些扰动以压缩波的形式在岩体内部传播。同时,受到岩体非均匀性质以及内部不等连续结构面等影响,激发的压缩波往往转变为拉伸波。因此,研究岩石在动态压缩和拉伸荷载作用下的动态力学响应不仅具有重要的理论意义,对岩石工程开挖支护和地下工程防护等方面也具有重大的工程价值。本文基于有限元应力应变分析方法和等效连续损伤力学的RFPA数值分析软件,利用Weibull统计分布描述岩石材料非均匀特性,采用Newmark隐式积分算法求解动态有限元方程,实现了粘弹性人工边界算法,并得到了不同应力波波长作用下的有限元网格尺寸效应。充分考虑了岩石力学中的接触问题,将考虑动、静摩擦效应的动接触模型和基于损伤理论的接触模型引入RFPA数值分析软件中,准确的实现了模拟块体之间的撞击过程,并继而研究岩石在撞击作用下的裂纹扩展规律。同时,成功利用基于损伤理论的接触模型分析静态和动态荷载作用下不同材料界面处的损伤演化过程和接触状态变化特征。基于提出的两种接触模型,成功建立了二维和三维条件下霍普金森压杆(SHPB)和霍普金森拉杆(SHTB)数值试验系统,详细分析了不同SHPB和SHTB试验设置条件下岩石的动态压缩和拉伸力学特性。同时,系统讨论了 SHPB试验过程中所涉及的应变率效应、惯性效应和摩擦效应对岩石动态压缩强度的影响。分别从静力学和动力学两方面出发,数值探讨了直接拉伸试验和间接拉伸试验所得岩石拉伸强度的差异性。其中静力学拉伸试验分别考虑静态直接拉伸试验、巴西劈裂试验和三点弯曲试验。动力学拉伸试验则考虑了动态直接拉伸试验和动态巴西劈裂试验。指出了导致岩石静态和动态直接拉伸强度和间接拉伸强度差别的物理机制。在SHPB试验系统的基础上,综合考虑静态轴压、侧向围压和动态扰动组合载荷作用下岩石的动态力学特性。同时,采用三种不同界面处理方法,分析岩石与入射杆和透射杆之间的界面效应。继而将该试验系统用于分析不同初始地应力条件下岩石的动态压缩强度特征,探讨不同埋深和初始水平地应力与垂直地应力比值的影响。