岩石静动态本构关系及应用研究

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岩石类材料的动、静态本构模型的研究一直是整个岩土学科研究的基础和最为关键的部分。然而岩石类材料的动态力学特性研究中一个重要方面是材料动态性能的应变率相关性规律的研究。材料动态本构模型的构建是研究岩石类材料动态力学特性的理论基础,起着至关重要的作用,因此建立概念清晰、形式简单且又能灵活应用的考虑应变率效应和损伤影响的岩石类材料的动态本构模型,并将其应用于实际结构计算以及计算机数值仿真中去,具有重要的学术意义和工程价值。本文通过岩石动、静态本构关系及其应用研究,将统计损伤理论应用到弹粘塑性岩石本构关系中,推导出了高应变率下岩石的动态本构关系,并与试验曲线对比,验证了该本构关系的合理性;利用统一强度理论推导了爆炸冲击波和应力波作用下,围岩在爆炸近区的压碎区的粉碎半径和爆破中区裂隙区的裂隙半径,以及空气耦合装药爆炸能量耗散分布;对地下岩体中的爆炸进行了数值模拟,研究了不同岩体质量和装药密度对爆腔壁压力及损伤区的影响。研究了围岩在不均匀应力场下由于开挖卸载而导致岩体破坏并伴随岩爆现象的破坏机理,推导出了计算围压切向应力的公式,并与文献中的岩爆试验结果进行了比较,符合较好,得出以下结论:将统计损伤模型和粘弹塑性模型结合起来,将岩石试件损伤体和弹塑性体并联,建立了考虑损伤的粘弹塑性本构关系,参数较少,可以通过实验来确定,应用方便。岩石的拉压比对柱状装药爆破的压碎圈与裂隙圈的半径具有显著影响,选用统一强度理论作为岩石的动态屈服准则,计算围岩的压碎圈和裂隙圈半径是合理的。数值模拟结果表明,对于同一岩体相同的炸药质量,装药密度越大,损伤区越大;对于同一装药密度,岩体质量越好,损伤区半径越小。围岩在不均匀应力场由于开挖卸载而导致岩体破坏时,围岩的切向应力随着强度理论参数b的增加逐渐增大,随着拉压比的增加也有增加趋势,随着中间主应力参数m的增加逐渐减小。
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