威远硅质粉砂岩的冲击损伤及损伤演化研究

发布时间：2019-11-05 10:30

【摘要】：爆破施工过程中,在工作面范围的岩体受爆破应力波作用发生破碎、剥离,距工作面一定距离的岩体虽未在一次爆破应力波作用下发生破坏,但在往复式爆破施工过程中,围岩在多次低幅值应力波冲击作用下会发生失稳、破坏。这一过程中涉及到岩石在单次应力波作用下的动态力学特性及岩石在多次应力波作用下的损伤演化和强度衰减特性。本文以硅质粉砂岩为试验对象,研究其在应力波作用下的动态力学特性及损伤演化特征。分离式霍普金森压杆(SHPB)装置是研究岩石动态力学特性的有效手段,本文从SHPB试验的物理过程出发,分析得出试件与杆件间的波阻抗之比是影响应力均匀的主要因素。并给出了不同波阻抗比情况下,试件内建立应力均匀时,应力波在试件内的反射-透射次数。以此原则选定铝合金杆为砂岩冲击试验的杆件系统,计算得出砂岩和铝合金波阻抗之比为0.63,建立应力均匀所需的时间为24μs。波长和波幅是应力波的两大参数,本文选用500mm、800mm、1200mm、1600mm和2000mm这5种应力波长,对硅质粉砂岩分别进行了单次冲击和重复冲击试验,得到硅质粉砂岩的动态力学特性和损伤演化与应力波参数间的关系。通过单次冲击试验研究硅质粉砂岩的动态力学特性;通过重复冲击试验研究硅质粉砂岩在相同入射能下的动态力学特性,并对试验结果进行了总结,得出以下结论:(1)硅质粉砂岩的动态本构曲线特征分为4个阶段,分别为:线弹性阶段;新裂隙形成阶段;塑性增强段;卸载段。砂岩的破坏形态大多为劈裂拉伸破坏。砂岩的动态强度与应变率有良好的相关性,其拟合关系为:(σ_d=σ_s/9.66+36.398exp(89.9(?)/(?)_s)。应变率在10~0~10~2s~(-1)时,砂岩的动态强度增长因子DIF范围为1~1.91。(2)通过对硅质粉砂岩进行波长为500mm、800mm、1200mm、1600mm和2000mm的冲击试验,提出岩石的冲击损伤阈值能够采用入射能统一地表示,并得出硅质粉砂岩的冲击损伤阈值为45J。同时得出了硅质粉砂岩损伤与应力波参数间的关系,即应力波波长越短,损伤随波幅的增长发展越缓慢;波长越大,损伤随波幅的增长发展越快。同时,随着波长的增大,损伤发生时所对应的入射波幅值逐步减小。(3)单次冲击下,硅质粉砂岩损伤与应力波幅值呈指数相关性并受波长的影响,提出采用指数函数为基础的模型表示损伤演化的方法,模型表达式为D=α·exp(β·σ_i/σ_s)+δ。此模型中,α的物理意义为受应力波波长影响的前期损伤速率因子;β的物理意义是受入射波幅值影响的后期损伤速率因子。模型参数中α、β、δ的取值规律为,随着波长的增大,α、β增大,δ值减小。(4)重复冲击下,冲击次数的增加使反射波的幅值以及反射波与横坐标轴所围成的面积逐步增加;透射波幅值以及透射波与横坐标轴所围成的面积逐步减小。由重复冲击试验所得的本构曲线可得:随着冲击次数增加,峰值强度逐渐减小,应变逐渐增大,动态弹模逐渐减小,减小的幅度随波长的增大而增加;峰值强度随冲击次数在线型上为“凸型下降”,波长越大强度下降的速率越快;应变率与冲击次数呈指数型增长关系,最大应变与冲击次数正相关,且波长越大,最大应变也越大。在破坏形态方面,重复冲击下砂岩试件只有一个破裂面,这是与单次冲击破裂形式最主要的区别。(5)重复冲击下,累积损伤呈现出“快速上升—平稳发展—快速上升”的发展形式,通过对戈珀兹函数进行逆变换可以表达硅质粉砂岩累积损伤发展的三个阶段性特征。以此函数为基础建立砂岩在重复冲击下损伤演化模型,其表达式为:D=δ-α·ln(lnβ/n)。其中α控制着平稳发展段的长度,其物理意义为受波长控制的累计损伤影响因子;β控制着后期快速增长段自变量取值的大小,其物理意义为受冲击次数控制的累计损伤影响因子;δ的取值影响累计损伤在初期快速增长段的损伤发展,其物理意义为累计损伤调节因子。(6)根据岩石和混凝土力学特性相似的特征,阐述了HJC模型用于描述岩石动态本构的适用性。将HJC模型参数分为基本力学参数、极限面参数、压力参数、损伤参数和率效应参数5个类别,针对每个类别分别提出参数的测试方法。(7)通过单轴静载试验、三轴静载试验、单次冲击试验和重复冲击试验得出硅质粉砂岩的HJC本构模型参数取值,并将其用于SHPB模拟计算当中。计算所得入射波符合一维波动理论,试件的应力-应变曲线弹性段、动态峰值强度及最大应变均与试验情况一致。表明本文提供的砂岩HJC模型参数确定方法有效,取值可靠。
【图文】：

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2 砂岩动态力学性能研究0.02mm 以内，直径均为 50mm，长度有两种。长度为 100mm 的试件用于静学性能测试；长度为 40mm 的试件用于动态冲击力学测试；长度为 20mm 的用于劈裂测试。为保证试验的一致性，试件制作完成后逐一进行编号和声波测在求出平均纵波波速后，，剔除波速差别大于 5%的试件，其余试件作为试验待

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2 砂岩动态力学性能研究0.02mm 以内，直径均为 50mm，长度有两种。长度为 100mm 的试件用于静学性能测试；长度为 40mm 的试件用于动态冲击力学测试；长度为 20mm 的用于劈裂测试。为保证试验的一致性，试件制作完成后逐一进行编号和声波测在求出平均纵波波速后，剔除波速差别大于 5%的试件，其余试件作为试验待
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

【参考文献】