温度和动载耦合下岩石力学特性与损伤研究

发布时间：2020-08-21 17:14

【摘要】：岩石是由各种不同的地质作用所形成的天然矿物的集合体,目前涉及高温下岩石力学特性的工程案例越来越多,如地热资源开发与利用、深部矿产的勘探与开采、核废物的深埋处理以及二氧化碳的地下封存等,这些工程建设都需要对高温下岩石动力学特性有深入的了解。本文采用室内试验、理论研究和数值模拟相结合的方法开展工作,具体内容及相关结论如下:首先,基于改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)对花岗岩进行了不同实时温度下的冲击压缩试验,发现温度在20~500℃下,花岗岩全应力-应变曲线的弹性、塑性与应变软化三个阶段特征明显,700℃时的应力-应变曲线出现塑性屈服平台;应变率增加使岩石单位体积的能量吸收能力有所提高,且岩石的峰值强度和峰值应变会增大。应变率对岩石弹性模量的影响规律不甚明显;500℃及以下,随应变率增加试样破坏形式从劈裂过渡到碎裂,700℃时试样破坏呈粉末状。接着,考虑岩石损伤的应变率效应,基于Weibull分布建立了实时温度下岩石统计损伤本构模型。结果表明所提出的统计损伤本构模型能准确地描述加热温度和应变率对岩石应力-应变行为的影响;四个本构参数(m,D_I,ε_0,η)均具有明确的物理意义,且确定方法简单;该模型可较好地反映岩石破坏全过程中的应力-应变行为,且预测的结果与实验数据非常吻合。最后,利用ANSYS/LS-DYNA软件与Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型对不同温度(20℃、100℃和200℃)下岩样SHPB试验进行了数值模拟,结果显示低加载率时试样周边易萌生裂纹,高加载率下试样内部裂纹在加载初期也可被激活;HJC模型能较好地表征不同温度下的岩石破坏过程,所提出的参数确定方法具有可行性与准确性;数值模拟能较好反映出岩石在冲击荷载作用下力学特性,展现出其动态压缩破坏过程。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

花岗岩,试样

物理力学特性见表 2.1，可知本文所研究花岗岩物成分为微斜长石（41 %）、斜长石（27 %）、）等。已有大量研究证明试样的尺寸对 SHPB 试7]，考虑到中南大学 SHPB 装置的应用范围和加载的要求，将岩石试样加工成圆柱体（直径 50 mm为了保证加载过程中试样内部应力均匀，试样的于 0.02 mm。加工后的花岗岩试样基本尺寸和精出的标准[58]。表 2.1 花岗岩基本物理力学特性e 2.1 Basic physical and mechanical properties of grani吸水率粒径范围静态单轴抗0.57 % 0.7～4 mm 138 M

加热箱,压杆,入射

图 2.2 SX-4-10 型加热箱Fig 2.2 SX-4-10-type heating box表 2.2 压杆长度Table 2.2 Length of pressure bar入射杆透射杆 2.4 m 1.2 m 载过程中试样温度实时，需要在入射装置，即管式高温炉，如图 2.4 所示腔内壁使用了碳纤维材料。在管式温炉的位置，保证压杆（入射杆、透了减少压杆（入射杆、透射杆）进出可以调节高度的保温仓门。

照片,分离式霍普金森压杆,特殊项目,合肥工业大学

图2.3分离式霍普金森压杆Fig2.3SplitHopkinsonpressurebar

【参考文献】