冲击载荷下节理岩体动力特性模型实验研究

发布时间：2017-07-29 13:20

  本文关键词：冲击载荷下节理岩体动力特性模型实验研究

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【摘要】：天然岩体中存在着大量自然形成的层理、裂隙、节理等缺陷,工程实践中地下岩体经常受到来自外界的动力振扰,而岩体中这些非线性结构面的存在严重影响了其动态力学性质。研究节理岩体的动态力学特性对研究其动态应力场、损伤场及地下防护工程的建设都有重要意义。为了分析节理岩体冲击力学特性,本文主要通过理论分析、模型实验、现代信号处理技术等相结合的方法,研究不同几何特征节理岩体的动力特性与损伤及裂纹扩展规律等。基于相似理论,通过水泥砂浆预制不同形式节理岩体试件与完整岩体试件,利用落锤式冲击实验机分别对不同贯通度、不同倾角与不同组数的节理岩体进行不同加载速率和冲击次数下的动态压缩实验,阐述含不同几何形式节理岩体的动态力学特性;基于岩体损伤理论,研究循环冲击作用下完整岩体试件和节理岩体试件的累积损伤规律并分析其动态裂纹扩展模式,得到以下研究结论:(1)探讨了完整及含不同贯通度节理岩体试件在冲击过程中的节理法向动态变形和能量转换规律。结果表明:相同冲击能量作用下,完整岩体试件冲击力峰值大于节理岩体试件,冲击力峰值及节理刚度均与节理贯通度呈负相关性,试件动态压缩变形量与节理贯通度呈正相关性,节理法向闭合量随着冲击能量的增大逐渐增大。加载过程中,当输入能量不大时,冲击力做功大小与节理贯通度呈正相关性,但随着冲击能量的继续增大,冲击荷载做功先增加后减少。(2)通过分析不同组数、倾角节理岩体试件在不同冲击条件下的力与位移时程曲线及力-位移曲线,研究了不同几何特征节理岩体的动力特性,得到试件动态压缩位移与节理组数、倾角以及下落高度呈正相关性。含单一倾斜节理岩体试件中,当节理倾角为45°时,动荷载对岩体试件做功最大,试件抗冲击强度最低。根据弹性损伤理论,试件弹性模量随着损伤的增加逐渐降低,节理岩体试件的动态变形是随着动态荷载的增加逐渐从弹性变形到塑性变形的转变。(3)在相同冲击能量下,不同组数节理岩体试件损伤度与节理组数及累计冲击次数均呈正相关性,试件破坏形式随着节理组数的增加从张剪复合破坏转换为张拉破坏。不同倾角节理岩体试件动态破坏时,节理尖端裂纹与节理延伸线呈大约90°,且当节理倾角为45°时,试件最容易发生破坏。整个冲击开裂过程中节理岩体试件裂纹经过萌生、发展、搭接、贯穿的全过程。冲击应力波在节理裂隙处发生了复杂的透反射过程,同时节理裂隙的存在,耗散了部分冲击能量。
【关键词】：岩石动力学 节理岩体 冲击荷载 损伤规律 裂纹扩展
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 引言13-14
• 1.2 国内外的研究现状14-19
• 1.2.1 节理岩体法向变形14-15
• 1.2.2 节理岩体的动态力学特性15-17
• 1.2.3 循环动载作用下岩体的累计损伤及裂纹扩展规律17-19
• 1.3 本文主要研究内容19
• 1.4 技术路线和创新点19-21
• 1.4.1 主要技术路线19-20
• 1.4.2 创新点20-21
• 第2章 模型实验21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 基本假设21-22
• 2.3 实验模型制作22-25
• 2.4 实验方案及测试25-31
• 2.4.1 实验设备与加载25-27
• 2.4.2 冲击稳定性验证27-28
• 2.4.3 实验方案设计28-30
• 2.4.4 动态信号数据处理原理30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第3章 非贯通节理岩体法向动态变形实验研究33-51
• 3.1 引言33-34
• 3.2 节理法向变形常用模型34-37
• 3.3 不同贯通度节理法向动态压缩规律研究37-46
• 3.3.1 冲击过程中力、加速度与位移时程分析37-42
• 3.3.2 冲击过程中节理法向变形的应力波动分析42-44
• 3.3.3 冲击过程中能量转换分析44-46
• 3.4 不同冲击能量下非贯通节理岩体法向动态压缩规律46-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第4章 不同几何特征节理岩体动态力学特性51-63
• 4.1 引言51-52
• 4.2 不同倾角节理岩体的冲击力学特性52-56
• 4.2.1 相同冲击高度下不同倾角节理岩体的冲击规律研究52-54
• 4.2.2 不同冲击高度下节理岩体的冲击规律研究54-56
• 4.3 不同组数层状节理岩体的冲击力学特性56-61
• 4.3.1 相同冲击高度下不同组数节理岩体的冲击规律研究56-59
• 4.3.2 不同冲击高度下相同组数节理岩体的冲击规律研究59-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第5章 循环冲击作用下节理岩体损伤及裂纹扩展分析63-77
• 5.1 引言63
• 5.2 循环冲击作用下节理岩体损伤规律63-69
• 5.2.1 理论分析64-65
• 5.2.2 实验及结果分析65-69
• 5.3 节理岩体动态破坏裂纹扩展机理研究69-75
• 5.3.1 岩体的破坏类型69-70
• 5.3.2 裂隙尖端应力分析70-72
• 5.3.3 动载作用下节理岩体裂纹扩展模式72-75
• 5.4 本章小结75-77
• 第6章 结论与展望77-81
• 6.1 结论77-78
• 6.2 展望78-81
• 参考文献81-89
• 攻读硕士学位期间的学术成果与参与科研项目情况89-91
• 一、攻读硕士学位期间的学术成果89
• 二、参与科研项目89-91
• 致谢91

【参考文献】

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本文编号：589397