衝擊載荷下岩石節理本構方程及其對應力波傳播的影響

《衝擊載荷下岩石節理本構方程及其對應力波傳播的影響》是依託中南大學，由王衛華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載荷下岩石節理本構方程及其對應力波傳播的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王衛華
• 依託單位：中南大學

項目摘要

從衝擊載荷作用下岩石節理的受力特徵入手，利用SHPB試驗系統，深入揭示衝擊載荷作用下岩石節理的變形特性、破壞機理和本構關係，建立基於節理真實變形的非線性位移不連續模型，揭示應力波在節理處的傳播規律。為此，首先將對已有的SHPB測試系統進行改進，建立衝擊載荷作用下節理動態力學性質測試系統；然後對具有不同形貌特徵的岩石節理試樣進行不同載入率水平下的動態衝擊試驗，探討節理表面形貌特徵和載入率對節理動力變形特性、強度準則與本構關係的影響機制，建立耦合節理表面形貌特徵的率相關的節理本構模型；最後，基於岩石節理動態本構方程，運用非線性位移不連續模型，建立應力波在巨觀節理處的傳播模型並進行試驗驗證，在此基礎上，進行參數研究，獲得節理表面形貌、應力波幅值、頻率和載入率等參數對應力波傳播的影響規律。本項目將為節理處應力波傳播規律的研究提供一個新的思路和方法，具有重要的理論意義。

結題摘要

天然岩體記憶體在眾多的不連續面，它們對岩體力學性質和岩體中應力波的傳播有重大影響。因此，岩體節理動態力學性質和應力波在節理岩體中的傳播規律的研究是岩土工程界的熱門前沿課題之一。節理的動態力學行為和應力波在節理處的波動效應是一個相互耦合的問題，要獲得應力波在岩石節理處傳播的正確解，關鍵是要合理地考慮節理面在應力波傳播過程中的受力變形狀態。因此相應載入條件下節理力學性質是研究應力波在節理處傳播的先決條件。而應力波施加的是動載荷，節理在動載荷作用下的力學性質與靜載下的不同。因此，建立一種能真實模擬應力波在節理處傳播的方法就顯得非常重要，而分離式霍普金森壓桿試驗系統（SHPB）正好為解決這一問題提供了有力工具。基於此，本項目對不同載入速率下岩石節理力學行為和應力波在節理處的傳播規律進行了深入地研究。 運用MTS和SHPB試驗系統，完成了不同載入速率下，鋸齒狀節理、特定JRC值節理和隨機形貌岩石節理的法向閉合變形試驗，發現閉合變形曲線具有高度的非線性並且向上彎曲，受表面形貌影響顯著，節理閉合壓縮試驗前後表面形貌參數高度特徵參數會減小並分散。通過對不同載入速率下節理法向閉合變形試驗結果的分析與處理，發現改進的半對數函式和半指數函式擬合效果最好，建立了基於改進的半對數函式和改進的半指數函式的考慮率效應的節理壓縮閉合經驗本構模型。通過對應力波與張開節理相互作用過程的分析，建立了應力波在張開節理處傳播的簡化模型，獲得了不同應力波在張開節理處傳播時的能量傳遞係數變化規律。用3DEC對垂直入射一維壓縮波在無節理、含一線性變形平面節理、含二平行線性變形平面節理、含一特定形貌的粗糙節理和含夾層的岩體中的傳播進行了模擬，獲得了應力波有節理處的傳播規律，結果表明隨著節理粗糙度JRC值的增加，透射係數減小，隨載入率增大，節理粗糙度JRC值對應力波透射係數影響減小。