围压作用下花岗岩冲击压缩试验与数值模拟研究

发布时间：2020-11-18 19:38

　　岩石在动荷载和围压作用下的力学性能涉及到地下工程结构开发、矿井深部冲击地压和高地应力下脆性岩体的岩爆等多个领域。目前,有关岩石在动载和围压耦合作用下力学性能的研究仍相对较少。本文基于岩石动力学基本理论开展室内实验,并结合数值模拟技术,开展的工作及得出的结论主要如下:首先,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对花岗岩试样进行了不同围压下的冲击压缩试验,探讨了动载荷下花岗岩强度、变形、能量特征及破坏模式与机理。结果表明,随围压和应变率的增大,岩样的强度提升明显,能耗密度对岩样强度的影响与应变率相近;高围压下花岗岩塑性变形增大,出现明显的塑性屈服平台;莫尔-库伦准则中动荷载强度的应变率效应主要表现为粘聚力的不断增大,三参数幂函数准则的拟合效果最佳;围压一定时,加载应变率和试样能耗密度及入射能间有良好的线性关系,且在相同入射能下应变率和能耗密度均随围压的增加有所降低;花岗岩裂纹扩展速度与试样破坏程度均随能耗密度不断增长,且呈现出由低围压下轴向劈裂破坏转为高围压下压剪破坏的趋势。接着,结合损伤统计理论和元件模型理论建立了花岗岩中高应变率和围压共同作用下的本构模型,并分析了各个参数对模型应力-应变曲线的影响。研究发现,当E_a增大,曲线加卸载段斜率均增大;参数E_b仅对屈服强度以前的曲线有一定影响;参数m与α对屈服阶段以后的应力-应变曲线有明显影响,其中参数m处于3~6之间,α与围压和应变率成正比;黏滞系数η影响着全应力-应变曲线,大小分布在0.1~0.5之间。最后,详细介绍了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构中各个参数的物理意义,并结合前人成果确定出适合于本文花岗岩的HJC参数,之后利用ANSYS/LS-DYNA软件进行了冲击试验过程的数值模拟。在冲击荷载作用下,花岗岩试样最先发生张应变破坏,继而转为轴向劈裂破坏,并有部分被压碎;HJC模型能较好地表征大变形、高应变率以及围压作用下岩石类材料的应力应变关系以及破坏形态,数值模拟与试验结果吻合度较高。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

花岗岩,试样,参数测试仪

应将试样切割打磨为直径50mm、厚度25mm的圆柱体标准试件，将试样两端面的平行度控制在±0.05mm以内，且表面平整度不超过±0.02mm，加工后的岩样大致外观如图2.1。采用合肥工业大学实验室的电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验，测得该花岗岩静态单轴抗压强度为138MPa，密度为2620kg/m3，泊松比为0.24。并利用HS-YS4A型岩石声波参数测试仪对花岗图 2.1 花岗岩试样图 2.2 岩石声波参数测试仪Fig. 2.1 Granite specimens Fig. 2.2 Rock sound wave parameter tester

参数测试仪

径偏小（0.7-2mm），他形粒状，且含有黑云母成分，具体矿物组成见表 2.1。表 2.1 花岗岩矿物成分Table 2.1 Mineral composition of granite矿物成分石英斜长石微斜长石黑云母磷铁矿磷灰石锆石金红石含量/% 20~25 25~35 40~50 5~8 <1 <1 <0.1 <0.1参照国际岩石力学学会（ISRM）的试验测试要求，为消除横向惯性效应将试样切割打磨为直径50mm、厚度25mm的圆柱体标准试件，将试样两端面的平行度控制在±0.05mm以内，且表面平整度不超过±0.02mm，加工后的岩样大致外观如图2.1。采用合肥工业大学实验室的电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验，测得该花岗岩静态单轴抗压强度为138MPa，密度为2620kg/m3，泊松比为0.24。并利用HS-YS4A型岩石声波参数测试仪对花岗

试验装置图,试验装置,压装