花崗岩材料在動靜組合載入下的斷裂機理研究

《花崗岩材料在動靜組合載入下的斷裂機理研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由陳榮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：花崗岩材料在動靜組合載入下的斷裂機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳榮
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

在深部工事開挖過程中，坑道頂板不僅承受著很高的靜載荷，還受到爆破、震動等動載荷的影響，容易誘發塌方等災害。現有研究表明，在初始靜載荷與動載荷疊加後，其強度準則不能簡單疊加。這是因為靜載荷導致岩石內部微裂紋發生變化，進而影響其力學性能。因此需要研究岩石材料在動靜組合載入下的斷裂機理，為工程設計提供理論依據。本研究首先建立基於霍普金森桿的動靜組合載入實驗方法，研究動靜組合載入下裂尖應力強度因子的求解方法。選取一種花崗岩材料，採用兩種不同預製裂紋方式的半圓盤三點彎試樣構型，通過Micro-CT結合聲發射實驗技術觀測靜載荷下花崗岩內部微裂紋分布及變化規律；分析不同動靜組合條件下裂紋的起裂韌度和傳播機理。結合常規的力學實驗，建立統計裂紋模型，並將計算預測結果與實驗結果進行比較分析，驗證模型的有效性。重點解決花崗岩動靜組合載入下的裂紋起裂擴展規律研究和花崗岩統計裂紋模型及參數獲取方法兩個關鍵科學問題。

結題摘要

隨著礦山開採深度增加和開採條件趨於複雜，以及越來越多的水利水電、交通、國防和基礎物理實驗等工程在深部和構造活動區興建，岩石常受到地應力靜載和爆破、震動等動載的影響。岩石材料在動靜組合載入下的力學性能成為深部岩石工程所必須要考慮的一個關鍵問題。本研究首先根據實驗需要和實驗室現有條件，搭建了基於霍普金森桿試驗平台的動靜組合載入試驗系統。研究選取了兩種試樣（NSCB和CCNSCB）分別進行了不同方面的斷裂性能研究。通過Micro-CT實驗技術觀測花崗岩內部微裂紋分布規律。對試樣進行了準靜態及動態SHPB試驗，提出了一種修正帶幾何缺陷試樣的SHPB動態強度測試的方法，採用本研究提出的修正方法不僅能夠極大的降低由於幾何缺陷引入的測量誤差，而且操作起來簡單、可行。對於NSCB試樣，其無量綱應力強度因子的計算是基於ANSYS有限元仿真平台建立二維模型，並對裂尖建立1/4節點模型進行數值求解。動態試驗中施加的預應力分別是NSCB試樣最大靜載荷的0%、37%、74%，實驗表明：岩石材料動態起裂韌度會隨初始靜載荷的增加而降低，但是總的斷裂韌度會提高，即在有初始靜載條件時，岩石材料的起裂會更加容易。對於CCNSCB試樣，採用子模型法結合1/4節點模型進行建模和無量綱應力強度因子的數值求解，並對裂紋區域進行了更為精確的應力場模擬。三組試驗施加的預應力分別是CCNSCB試樣最大靜載荷的0%、45%和90%，實驗表明：初始靜載荷對裂紋的傳播過程並無影響，傳播韌度與初始預應力無關。最後，建立了一種描述岩石材料的統計裂紋規律的本構模型，並將該模型嵌入LS-DYNA中去，該模型除了可以模擬岩石材料的力學性能外，還可用於模擬混凝土等準脆性材料的力學性能。