单轴冲击荷载下花岗岩力学特性与数值模拟研究

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相比于岩石的静力学特性,其动力学特性复杂多变。目前在矿山开挖、水电施工等工程中都涉及到岩石的动力学特性和破坏模式问题。而且,在实际工程中,岩石往往在多次冲击荷载下才会失稳破坏。本文以室内试验为主,辅以数值模拟研究了花岗岩的动力学特性,主要的工作与结论如下:首先,利用改进的霍普金森压杆对黑云母花岗岩进行了单次与循环冲击荷载下力学特性与能量耗散规律的试验研究。结果表明,在不同单次冲击荷载下最大应变、峰值应力、动态强度增长因子以及单位体积吸收能均与平均应变率之间有较好的线性关系;随入射能的增长,吸收能所占入射能的比重会逐渐增大,且其占比会逐渐超过透射能所占入射能的比重;随平均应变率的增大,试样破碎程度逐渐加剧,且应力-应变曲线上回弹现象逐渐消失。在不同入射波幅值的循环冲击下,岩样的力学特性主要表现出三种变化规律:(i)在冲击过程中岩样力学特性快速劣化;(ii)岩样在前几次的冲击中处于一个压密过程,力学特性先增强后劣化;(iii)岩样的力学性质基本没有明显变化。接着,基于Weibull分布发展了此花岗岩的统计损伤本构模型,探讨了各个参数对本构关系的影响,研究表明参数Ea、Eb和D′会影响应力-应变曲线加载段的斜率和峰值应力,参数F0的提高会相应的提高峰值应力以及卸载阶段的应力值,参数m的变化则主要影响峰值应力的大小,而参数η的变化仅会在整体上对应力-应变曲线有轻微的影响。比较发现,该模型的拟合结果与试验数据吻合较好,且改进后的模型也能较好的描述岩样在有围压状态下的本构关系。最后,在已有的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型参数基础上,通过试算调整得出一组所研究的花岗岩HJC模型参数,并结合ANSYS/LS-DYNA软件对此岩石在单次冲击荷载下的试验结果进行了数值模拟。研究发现HJC模型能较好的表征花岗岩在单次冲击荷载下的力学行为与破坏特性,且所采用的参数确定方法具有可行性与准确性;对HJC参数进行敏感性分析后发现在模拟冲击类问题时,参数A、B、N与fc对峰值应力影响较大,而对最大应变的影响程度超过10%只有参数B。相比于爆破类问题的模拟,HJC参数的变化对冲击类问题模拟结果的影响较小,且敏感性强的参数个数也较少。
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