围压作用下花岗岩冲击压缩试验与数值模拟研究

摘要

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Ea增大，曲线加卸载段斜率均增大;参数Eb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。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状与文献综述

1．2．1 岩石动态力学特性与围压效应试验研究

1．2．2 岩石能量效应研究

1．2．3 岩石本构模型研究

1．2．4 岩石数值模型研究

1．3 本文研究内容

第二章 试验原理与数值方案

2．1 花岗岩试样

2．2 SHPB试验装置

2．2．1 概述

2．2．2 试验装置

2．3 试验原理

2．4 试验详细步骤

2．5 试验常见问题与处理方法

2．5．1 弥散效应

2．5．2 应力均匀性

2．6 数值模拟方法

2．6．1 有限单元法

2．6．2 ANSYS/LS-DYNA软件简介

2．7 本章小结

第三章 花岗岩动力行为与能量特性研究

3．1 滤波与应力均匀性

3．2 应力-应变曲线特征

3．3 动态强度增长因子

3．4 弹性模量

3．5 岩石的强度准则

3．5．2 Bieniawski幂函数准则

3．5．3 拟合结果与分析

3．6 冲击破坏能量

3．7 试样破坏形态

3．8 本章小结

第四章 花岗岩动态本构模型研究

4．1 损伤力学理论

4．2 元件模型理论

4．3 花岗岩本构模型的建立

4．4 本构模型的参数分析与试验验证

4．4．1 参数分析

4．4．2 试验验证

4．5 本章小结

第五章 动载与围压耦合下岩石破坏过程的数值模拟

5．1 HJC模型简介

5．2 HJC模型参数确定

5．2．1 强度参数确定

5．2．2 损伤参数确定

5．2．3 压力参数确定

5．3 花岗岩数值模型建立

5．3．1 模型建立与网格划分

5．3．2 接触选择

5．3．3 荷载施加

5．3．4 侵蚀准则与时间步长设置

5．4 结果分析与比较

5．4．1 应力-应变曲线

5．4．2 试验动态破坏过程

5．4．3 破坏形态对比

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况