循环荷载作用下花岗岩动力学性能与累积损伤演化规律研究

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钻孔爆破技术已成为岩土工程建设或矿山采掘生产必不可少的施工手段,频繁爆破作业诱发的围岩累积损伤效应对于岩体稳定性有着重要的影响。而且,工程岩体在受到频繁扰动作用之前,往往承受一定的静应力载荷或温度载荷的作用。本文以复杂工程地质环境下的地下岩体为研究对象,借助于分离式霍普金森压杆(SHPB)系统和室外爆破试验,对花岗岩在循环冲击和循环爆破荷载下的动力学性能和累积损伤演化规律进行深入研究。主要研究内容和相关成果如下:(1)采用直锥变截面SHPB系统对不同温度(T=20℃~600℃)热处理花岗岩进行五种冲击速度下的循环冲击试验,研究了冲击速度和热处理温度对花岗岩在循环冲击荷载下动力学性能劣化特性、累积损伤演化规律和能量耗散特性的影响。试验结果表明循环冲击荷载下,600℃热处理试样达到损伤的应力阈值明显低于20℃~500℃热处理试样。相同冲击速度下,600℃热处理试样表现出较快的动力学性能劣化特性和温度弱化现象。在断裂愈合作用下,200℃和300℃热处理试样的累积损伤增长较为缓慢,表现出明显的温度强化现象。在不同温度热处理试样达到各自的能量阈值后,试样的总破碎能耗密度和破碎程度将随着冲击速度的增加而增加。(2)采用动静组合SHPB系统对不同轴压(σA=0、30、60、90和120MPa)下的花岗岩试样进行了相同入射波峰值电压的等幅循环冲击,分析了不同轴压下的花岗岩在循环冲击荷载下动力学性能劣化特性和轴压影响机理。结果显示施加轴压时冲击波形中的反射波没有明确的“起跳点”,其根本原因是弹性压杆出现不均匀的瞬间应力卸载,对于施加轴压的试样需利用其空冲反射波对其进行数据处理。σA=0和120MPa试样的动力学性能劣化速率较快,而σA=60MPa试样的动力学性能劣化速率较慢,累积损伤增长速率较小。当轴压小于起裂应力时,压密作用将导致循环冲击荷载下岩石的动力学性能有所改善;而当轴压大于起裂应力时,由于岩石内部微裂纹的萌生、成核和扩展,岩石的动力学性能劣化速度将加快。(3)利用动静组合SHPB系统对不同围压(Cp=0、4、8、12和16MPa)下的花岗岩试样进行了相同冲击速度的等幅循环冲击,研究了围压对循环冲击荷载下花岗岩动力学性能劣化特性和累积损伤演化规律的影响。结果表明在相同的循环冲击荷载下,试样的总冲击次数随围压的增加而增加;围压越大,试样的平均应变率和最大应变增长速率越小,峰值应力和弹性模量的下降速率越小;峰值应力和最大应变与平均应变率分别具有良好的负线性相关关系和正线性相关关系;基于Weibull分布的统计损伤本构模型及相关参数的获取方法对冲击荷载下应力-应变关系的拟合效果较好,具有良好的适用性;相同的循环冲击荷载下,随着围压的增加,试样的累积损伤增加的越缓慢;Cp=0MPa试样发生粉碎性破坏,而Cp=4、8、12和16MPa试样表现出明显的剪切破坏模式。(4)对花岗岩试块进行了室外循环爆破试验,采用声波波速变化率作为损伤变量分析了循环爆破荷载下不同位置岩体的累积损伤演化规律。另外,利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序中的重启动功能与RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)模型对花岗岩的循环爆破破坏过程进行了数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明相同爆破次数下,测点的声波波速变化率随着爆心距的增加而逐渐减小,炸药上部岩体的声波波速变化率大于炸药底部完整岩体的声波波速变化率;利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序中的重启动功能并采用RHT本构模型可以很好地对累积损伤演化过程和裂纹扩展过程进行模拟,且模拟结果与试验结果吻合程度较高。
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