重複爆破荷載作用下岩石動態疲勞損傷特性研究

《重複爆破荷載作用下岩石動態疲勞損傷特性研究》是依託北京理工大學，由楊軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：重複爆破荷載作用下岩石動態疲勞損傷特性研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：楊軍
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本課題針對岩石開挖工程廣泛關注的爆區附近圍岩穩定問題,開展重複爆破荷載條件下岩石動態疲勞損傷特性研究。通過設計一套實現重複爆破荷載載入試驗裝置進行試驗，研究重複爆破荷載彈性波作用下岩體疲勞損傷特徵、裂紋分形演化和疲勞強度變化規律，將裂紋擴展規律和疲勞累積損傷演化統一起來，定義與多次爆破載荷相對應的疲勞損傷因子；並進一步分析研究疲勞參數對岩石疲勞劣化的機理和對岩石疲勞損傷壽命的影響。通過編制XFEM（擴展有限元）程式對岩石動態疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴展進行數值模擬研究，為岩石開挖工程圍岩安全控制提供科學依據和實用手段。

結題摘要

隨著地下資源開採和國防防護等工程開挖深度的不斷增加，處於地應力環境中的岩體在爆炸、高速衝擊等作用下的動態回響過程趨於複雜。本研究採用理論分析、實驗測試和數值模擬相結合的方法對主動圍壓和爆炸作用下岩石的破碎過程和損傷累積等進行研究，得出如下結論： （1）設計並試製能夠模仿重複爆破荷載條件下岩石動態疲勞損傷特性的試驗裝置。該裝置可提供準靜態雙軸圍壓，並保證壓力穩定性。爆炸載入而採取平面波發生器單向載入和試件中心炮孔載入兩種方式，後者選取小直徑藥柱和低能導爆索，通過耦合和不耦合裝藥方式來調節爆炸荷載。利用超動態應變和高速攝像測試系統，對岩石內部變形及裂紋擴展等動態回響過程進行觀測。 （2）對均勻圍壓和爆炸作用下岩石動態回響研究發現：圍壓在圓柱試件的環向形成壓應力，減弱了爆炸應力波產生的環向拉伸破壞。破碎區半徑、裂紋數目和裂紋幾何尺寸隨著圍壓增大顯著減小。隨著距爆炸中心越遠，應力波強度降低，圍壓對徑向裂紋的止裂作用增強。同時，結合彈性力學和柱面應力波相關理論分析，得到圍壓在孔壁附近產生環向壓應力，減小了爆炸形成的拉伸破壞，這一結論與實驗結果相符。通過數值模擬發現，爆炸後岩石的Von Mises應力隨圍壓的升高而增強，而環向拉伸破壞隨圍壓的升高而減弱。 （3）對重複爆炸實驗研究中，在首次爆炸作用下，試件主要發生彈性變形，岩石內部沒有產生損傷。隨著載入次數增加，孔壁附近區域逐漸產生塑性變形，岩石內微裂隙開始萌生、合併。在最後一次爆炸載入，峰值應變突然增大，微裂紋快速成長為貫穿裂紋，造成試件脆性斷裂失效。 （4）損傷D在0～0.4，彈塑性變形對試件整體的力學特徵影響較小。D>0.5時，岩石產生不可逆的局部失效，內部損傷隨載入次數遞增，試件保持整體完整。D>0.6時，損傷累積超過極限，裂紋擴展造成岩石斷裂。 （5）在爆炸應力波作用下，岩石的破壞過程和載入時間緊密關聯。爆炸應力波持續時間較短，在岩石內部形成的損傷沒有足夠時間累積，單次載入下試件不會發生整體巨觀失效。在多次載入下，損傷範圍和程度逐漸增大，最終導致試件破碎。均勻圍壓在形成壓應力場，可以有效阻礙微裂隙生長，提高試件強度。