岩石在静应力状态下的循环冲击实验及损伤特性研究

摘要

本文主要以改进的SHPB试验系统为平台，以大理岩、矽卡岩、砂岩和蛇纹岩为研究对象，开展在静应力状态下的循环冲击试验，研究不同加载条件下岩石的动态力学特性，并建立动态统计损伤本构模型，分析了岩石的损伤演化规律。通过本文的研究，为深入了解岩石在冲击载荷作用下的力学特性和破坏机理以及工程岩体的长期稳定性评价提供一定的理论与技术支持。全文主要内容和结论性成果如下:
　　(1)开展不同静应力条件下的岩石循环荷载冲击试验，并对实验数据进行分析比较，结果表明:试样破坏前的应力应变曲线的初始弹模基本相同，随着冲击载荷循环次数的增加，弹性模量呈下降趋势，岩石试样最大累积应变增加，应力波峰值呈降低趋势;随着轴向静应力的增加，岩石冲击次数减少。
　　(2)分析了四种岩石试样在循环冲击作用下的破坏模式，结果表明:岩石试样的破坏模式与岩石的结构特征有明显的关系;随着静应力的增加，岩石试样内部损伤加剧，破碎程度加剧。
　　(3)建立了基于Weibull分布的统计损伤本构模型，通过理论分析及推导，确定了模型参数的计算方法。将实验数据代入损伤本构模型分析发现:损伤变量D随着应变的增加而增大，在应力—应变曲线的峰值强度处，损伤变化有一个明显的拐点;最大损伤实际反映的是材料在载荷作用下的应变能力，其值与最大应变有关;岩石的累积损伤与内部结构有密切关系，累积损伤曲线表现为上凸型。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题由来、研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外深部开采工程及研究现状

1．2．2 深部岩石力学研究现状

1．2．3 岩石在循环荷载作用下的力学特性研究现状

1．3 文章主要研究内容与技术路线

2 SHPB冲击实验系统及原理

2．1 概述

2．2 分离式SHPB实验原理

2．3 岩石类材料的SHPB实验技术及设备研究进展

2．3．1 岩石类SHPB实验技术研究进展

2．3．2 三轴SHPB冲击实验仪器研究进展

2．4 岩石SHPB冲击实验分析

2．4．1 一维应力波理论在动静组合加载下的适用性

2．4．2 实现恒应变率下的动力加载

2．4．3 试样长度的确定

2．5 本章小结

3 岩石在循环冲击荷载作用下的力学特性研究

3．1 背景

3．2 实验准备工作

3．2．1 取样

3．2．2 试样加工

3．2．3 实验设备

3．3 单轴压缩变形岩石力学实验

3．3．1 实验过程

3．3．2 单轴压缩下的岩石变形特征

3．3．3 单轴抗压强度

3．4 岩石在循环冲击荷载下的力学实验

3．4．1 实验方案设计及步骤

3．4．2 不同轴压下的等幅循环冲击实验

3．5 不同预应力循环冲击作用下的应力-应变曲线特征

3．6 循环冲击扰动作用下岩石的破坏模式

3．7 本章小结

4 岩石在循环冲击作用下的损伤特性研究

4．1 引言

4．2 损伤力学基本概念

4．2．1 损伤变量

4．2．2 基本假定

4．3 基于统计学的冲击损伤本构模型

4．3．1 概述

4．3．2 基本假设

4．3．3 损伤变量及其表示式

4．3．4 单元体强度

4．3．5 单元体损伤本构关系

4．4 岩石在循环扰动作用下的损伤累计演化规律

4．4．1 损伤变量与应变的关系

4．4．2 累计损伤演化规律

4．5 本章小结

5 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 全文展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要科研成果

致谢